线粒体置换技术原理图。省二医 供图

 利用强制性线粒体自噬降解线粒体置换过程中来源于核供体胚胎的线粒体模式图。省二医 供图

近日，广东省第二人民医院（以下简称省二医）生殖医学中心罗世明研究员、欧湘红教授和孙青原研究员在线粒体疾病阻断研究上取得重要进展。他们建立了一种利用强制性线粒体自噬清除线粒体置换过程中残留线粒体DNA的技术体系。相关研究以Article形式在线发表于《自然-生物医学工程》。

遗传是影响健康的最重要因素，基因组变异通常会直接导致遗传性疾病的产生。除了细胞核中的基因组外，细胞中还有另外一套基因组存在于线粒体中，即线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。线粒体是细胞中负责产生能量的重要细胞器，机体中90%以上可直接利用的能量ATP是经由线粒体的电子传递链所产生。因此，线粒体基因组发生突变时会严重损害健康，甚至会导致mtDNA相关疾病的发生，如LHON视神经萎缩症、线粒体脑肌病、线粒体肝病等。

目前，并没有针对mtDNA相关疾病进行治疗的有效方法，但是考虑到mtDNA经由母亲遗传给后代，可以利用辅助生殖技术对其进行阻断，将突变的mtDNA替换为正常的mtDNA。其基本原理是通过显微操作技术将一个拥有正常线粒体基因组的卵子或者受精卵中的细胞核进行移除（称为核受体），同时，将突变线粒体基因组卵子或受精卵中的细胞核取出（称为核供体），然后再通过细胞融合将核供体的细胞核置于去核的核受体细胞质中，该技术称为线粒体移植技术。

通过线粒体移植技术所诞生的婴儿将拥有自己父亲和母亲的核基因组以及第三方母亲的线粒体基因组，因此称为三亲婴儿。由于核基因组是决定个体性状如身高、相貌等的最主要遗传因素，三亲婴儿与正常受精所诞生的婴儿一样，其最重要的遗传性状都决定于自己的亲生父母。由于显微操作过程中，会携带部分原有的突变mtDNA到新的胚胎中，并经过一定的方式如基因漂移和富集等进行扩增，从而存在继续影响其后代健康和发生遗传的风险。因此，如何清除操作过程中的突变mtDNA是线粒体置换技术中悬而未解的关键问题。

在本项研究工作中，研究人员利用分子生物学技术、细胞生物学技术和显微操作技术，首先对核供体线粒体进行了自噬受体的标记，之后再通过显微操作进行线粒体置换，最终诱导了强制性线粒体自噬，使得核供体的线粒体（相当于突变mtDNA）可以选择性被降解，而对核受体中正常的线粒体则无明显影响。

该技术所介导的线粒体置换技术显著改善了mtDNA残留的问题，在将近70%的胚胎和小鼠后代组织中未能检测到mtDNA的残留，即使在能检测到mtDNA残留的样本中，其含量也极低，平均仅为0.09%。而常规线粒体置换技术产生的胚胎和小鼠后代组织中，所有的样本均能检测到mtDNA的残留，残留量约为4%。此外，该技术对胚胎发育率、后代出生率、以及后代生长曲线和行为学无明显影响，具有较好的安全性。

中国科学院院士、山东大学教授陈子江，以及中国科学院院士、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员李劲松对该研究结果予以了充分的肯定，并指出该技术具有更宽的应用范围，如克隆和半克隆技术中mtDNA的清除等。他们一致认为，该研究结果对于促进利用辅助生殖技术阻断线粒体相关疾病具有重要意义。

据悉，省二医生殖医学中心的研究助理范晓燕、郭磊博士、和陈雷宁副主任医师为该论文第一作者，罗世明、欧湘红和孙青原为共同通讯作者。此外，中国科学院动物研究所、华南师范大学脑科学与康复研究院和青岛农业大学生命科学学院的研究团队参与了该项研究工作。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41551-022-00881-7