Cell Reports | 生命科学学院林爱福团队开发基于CRISPR的线粒体基因编辑工具，实现异质性mtDNA突变的高效纠正

【字体：大中小】 时间：2026年03月21日 来源：浙江大学生命科学学院

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　　细胞内膜系统及无膜隔室构筑的亚细胞结构，为生物分子的有序分布与生化反应提供了高度精密的微环境。对亚细胞结构组分及功能元件的深入挖掘，不仅能为解析细胞代谢的动态调控网络提供全新视角，更将为人类健康干预与疾病治疗提供新思路。近年来的研究表明，RNA作为细胞生命活动的重要调控元件，高度参与内膜复杂系统与亚细胞精细结构的组成构建与调控功能。浙江大学生命科学学院林爱福团队深耕RNA的空间分布规律（即“RNA区室化”...

细胞内膜系统及无膜隔室构筑的亚细胞结构，为生物分子的有序分布与生化反应提供了高度精密的微环境。对亚细胞结构组分及功能元件的深入挖掘，不仅能为解析细胞代谢的动态调控网络提供全新视角，更将为人类健康干预与疾病治疗提供新思路。近年来的研究表明，RNA作为细胞生命活动的重要调控元件，高度参与内膜复杂系统与亚细胞精细结构的组成构建与调控功能。浙江大学生命科学学院林爱福团队深耕RNA的空间分布规律（即“RNA区室化”，RNA compartmentalization）及其背后的功能调控研究，团队前期开发了细胞器免疫亲和纯化体系，绘制出完整的细胞器长链非编码RNA（lncRNA）图谱，在此基础上，深入揭示了线粒体lncRNA GAS5在三羧酸循环代谢区室解离中的调控机制（Nature Metabolism，2021），以及lncRNA SNHG6介导细胞器接触点形成并调控胆固醇代谢的重要功能（Nature Metabolism，2022）。上述工作为解析天然RNA的亚细胞靶向转运机制奠定了理论基础。

在众多亚细胞结构中，线粒体作为细胞的“能量工厂”和核心代谢枢纽，拥有自身独立的基因组（mtDNA）和翻译系统。线粒体基因的正常转录与翻译对于维持氧化磷酸化和ATP生成不可或缺。一旦mtDNA发生突变，将导致线粒体脑肌病、心肌病等严重遗传性疾病（全球发病率约1/5000）。目前，针对mtDNA的基因编辑工具主要包括锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）等，这些经典基因编辑工具不依赖于RNA引导，但存在设计复杂、靶向灵活性不足等问题。CRISPR-Cas9系统在核基因组编辑中展现出高效、便捷的特点，但线粒体致密的双层膜结构导致sgRNA难以进入线粒体基质，仅改造Cas9蛋白进入线粒体的编辑效率极低（仅0.03%-0.23%），这严重限制了CRISPR系统在线粒体疾病治疗中的潜力。因此，如何通过分子工程手段定向改造sgRNA，赋予其高效穿透线粒体双层膜并实现精准定位的能力，将成为解决CRISPR系统应用于线粒体基因编辑的重要突破口，也将为线粒体遗传病的治疗提供潜在底层工具。

近日，浙江大学生命科学学院林爱福教授团队在Cell Reports杂志在线发表题为A CRISPR-based mitochondrial gene therapy tool derived by engineering guide RNAs 的研究论文。该研究通过解析线粒体定位lncRNA的转运机制，开发出一种新型RNA线粒体靶向序列（RMTS），并构建了高效、特异的RMTS-CRISPR线粒体基因编辑系统，为mtDNA突变相关疾病的治疗提供了全新策略。

研究团队首先利用细胞器免疫亲和纯化结合高通量测序技术，构建了线粒体富集lncRNA图谱，从中鉴定出199个显著定位于线粒体的lncRNA。通过系统进化分析与功能验证，筛选出17个具有保守线粒体定位特征的候选分子，其中lncRNA RP11-46H11.3表现出最强的线粒体定位能力。进一步机制研究表明，RP11-46H11.3通过其核心RNA识别基序（RRMs）与线粒体相关RNA结合蛋白（RBPs）IGF2BP2和ELAVL1特异性结合，从而介导其向线粒体的靶向转运。该过程依赖于RNA茎环二级结构与核心序列基序的协同：茎环结构作为“骨架”暴露结合位点，而核心基序提供特异性识别。基于上述机制，研究团队从RP11-46H11.3中最终鉴定出一段30个核苷酸的ST2序列（命名为ST2-RMTS），具有最高的RNA线粒体靶向引导效率。

为解决sgRNA线粒体递送瓶颈，研究团队将ST2-RMTS与sgRNA融合，并结合线粒体定位信号肽（MTS）修饰的Cas9（MTS-Cas9），构建了RMTS-CRISPR编辑系统。体外核酸酶活性实验表明，RMTS的融合不影响sgRNA的活性及Cas9的切割效率。在HEK293T细胞中，RMTS-CRISPR可高效靶向切割MT-ND1、MT-ND2、MT-ND4等多个线粒体基因。这一过程为选择性清除突变mtDNA提供了理想的技术基础。研究团队将该系统应用于临床常见的m.3243A>G异质性突变细胞模型中，结果显示RMTS-CRISPR干预使正常线粒体DNA比例显著提升26.37%，有效实现了突变清除，显著降低突变mtDNA负荷，并恢复细胞的ATP生成能力。与经典的Mito-TALENs工具相比，RMTS-CRISPR编辑效率相当，且其设计更为便捷、靶向拓展也更灵活。

线粒体疾病的临床表现通常与突变mtDNA的异质性阈值相关。该研究采用RMTS-CRISPR实现了约26%的突变负荷降低，为该系统的潜在临床应用提供了初步依据。对于突变负荷处于60%–80%的临界患者，降低突变负荷有望至病理阈值以下，从而改善或延缓疾病进展。此外，对于重症患者，也能部分恢复线粒体呼吸链功能，缓解能量代谢缺陷。研究团队表示，未来将进一步优化RMTS序列结构及RMTS-sgRNA稳定性，并结合递送体系提升线粒体靶向效率，推动该技术向临床转化。该研究不仅为线粒体基因治疗提供了新型工具，也为深入理解RNA的线粒体转运机制提供了重要见解。