9月10日，上海科技大学免疫化学研究所杨贝课题组与生命科学与技术学院陈佳课题组合作，在国际学术期刊Molecular Cell在线发表了题为“Structural insights into DdCBE in action enable high-precision mitochondrial DNA editing”的研究论文，通过解析处于工作状态的线粒体胞嘧啶碱基编辑器DdCBE的复合物结构，开发了可用于指导TALE识别区与spacer长度设计的编辑窗口预测模型（WinPred）和高精度型DdCBE（aDdCBE），成功实现了单碱基精度的线粒体DNA编辑和对线粒体疾病的精准模拟（图1）。
图1、研究摘要总结图
线粒体DNA（mtDNA）的突变会导致多种严重疾病，尤其危害能量需求高的组织和器官，如中枢神经系统等。例如，Leber遗传性视神经病变（LHON）就可由线粒体中相关基因的点突变引起，患者常出现中心视力丧失。由于很多mtDNA突变是同质性突变（即所有的mtDNA拷贝均携带同样突变），可编程核酸酶进行修正时会摧毁所有发生突变的线粒体基因组，造成灾难性后果。同时，由于引导RNA（gRNA）难以被递送至线粒体，已广泛用于核基因组精准编辑的碱基编辑器等也无法有效应用于mtDNA突变纠正。因此，为能精确纠正mtDNA中的致病性突变，科研人员开发了新型的mtDNA碱基编辑技术—DdCBE及其系列衍生系统，通过偶联效应元件—双链DNA胞苷脱氨酶DddA和一对可设计的定位元件—TALE阵列蛋白，可在两组TALE阵列识别位点之间的spacer区域内介导C到T碱基编辑。但这类编辑器的“工作照片”尚未被捕获，编辑窗口的决定因素有待阐释，而编辑窗口的不可预测性及脱靶效应限制了这类编辑器在基础研究和线粒体疾病治疗中的广泛应用。
针对上述难点，本工作首先解析了DdCBE分别靶向两个内源性线粒体基因位点的高分辨率冷冻电镜结构，阐明了DdCBE的详细工作机制及其编辑窗口的决定因素（图2A），并建立了一个可预测不同长度spacer内任意位置编辑结果的工作模型WinPred（图2B）。通过利用WinPred指导DdCBE中的TALE阵列蛋白识别位点与spacer长度设计，联合团队在不同线粒体基因位点处实现了高度精准的高效编辑（图2C）。此外还基于结构信息对DdCBE中的效应元件DddA进行了工程化改造，获得了高精准线粒体碱基编辑器accurate DdCBE（aDdCBE），其编辑窗口仅 2~3 个碱基，同时其脱靶编辑接近于背景水平，更可与WinPred联用实现单碱基高精准碱基编辑（图2D）。最后，本工作利用aDdCBE在线粒体DNA中精确引入了与Leber遗传性视神经病变相关的致病突变，真实重现了与该突变相关的病理状态，展示了WinPred与aDdCBE工具在线粒体疾病的精准建模中的应用潜力。
图2、WinPred模型与aDdCBE编辑器的建立与应用
注：A、sDdCBE的结构模型揭示N-TALE到DddA-N和C-TALE到DddA-C的溶液可及表面距离（distance- N和 distance-C）是编辑窗口的决定因素：B、WinPred模型预测的不同长度spacer中的编辑窗口（橘黄色区域）；C、应用WinPred模型指导TALE阵列蛋白识别位点（蓝色与紫色框）与spacer长度重设计（R02-sDdCBE11），成功去除了旁观者编辑（红色箭头），实现了对目标位点（绿色箭头）的高效编辑；D、通过WinPred模型指导sDdCBE设计并联用aDdCBE（L02-aDdCBE_V3），在MTTK位点实现了对目标位点（绿色箭头）的单碱基编辑。
该研究首次从结构角度揭示了DdCBE的详细工作机制，加深了领域内对DdCBE编辑窗口发生规律的理解，研究成果为后续的线粒体碱基编辑器优化和开发提供了重要的理论参考。而研究中开发的WinPred模型和aDdCBE编辑器也为线粒体疾病的精准建模和治疗提供了可供应用的新方法、新策略。
上海科技大学免疫化学研究所杨贝课题组博士毕业生项江超、上海科技大学生命科学与技术学院陈佳课题组博士研究生许文超和高级工程师吴晶为论文共同第一作者。上海科技大学杨贝教授与陈佳教授为该论文的通讯作者。上海科技大学为论文的第一完成单位。
论文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00701-4
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