近日，上海科技大学陈佳教授、新加坡国立大学Jin-Soo Kim教授在国际学术期刊Nature Reviews Molecular Cell Biology上发表了题为“Base editing of organellar DNA with programmable deaminases”的综述论文，详细介绍了细胞器DNA碱基编辑工具的发展及其在动物线粒体DNA和植物质体DNA上的应用，讨论了目前现有工具在效率和精度上的限制，并就展望了疾病治疗、农业和环境等方面的未来应用。
线粒体和叶绿体是包含自身基因组的细胞器，分别编码ATP产生和二氧化碳固定的关键基因（图一）。线粒体DNA（mtDNA）突变可导致多种遗传疾病，也与癌症、衰老和年龄相关疾病有关。细胞器DNA的靶向编辑有助于研究细胞器基因和开发新的治疗方法，目前由于有效工具的不足，这一领域的研究受到了一定的阻碍。
图一：线粒体和叶绿体介导的碳循环
该论文首先详细阐述了线粒体碱基编辑工具的发展，包括目前三大主流线粒体碱基编辑工具：DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器、依赖DddA的腺嘌呤碱基编辑器以及依赖切刻酶的链选择性碱基编辑器。
DddA是在Burkholderia cenocepacia菌种中鉴定得到的一种细菌间毒素，它是一种双链DNA胞苷脱氨酶。将DddAtox分割成无毒性的两半分别与线粒体靶向信号序列（MTS）、TALE阵列和尿嘧啶DNA糖苷酶抑制剂（UGI）融合，可组成应用于线粒体DNA碱基编辑的DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器 (DdCBEs) （图二）。
图二：基于双链DNA脱氨酶DddA构建的线粒体碱基编辑器DdCBE
而依赖DddA的腺嘌呤碱基编辑器则是将腺嘌呤脱氨酶TadA与DdCBE进行融合，借助DddA的能力实现TadA的腺嘌呤脱氨功能，并组成可进行A-to-G转换的线粒体DNA碱基编辑器sTALED without UGI、TALED、mTALED和可同时进行C-to-T和A-to-G转换的线粒体DNA碱基编辑器sTALED with UGI。
依赖切刻酶的链选择性碱基编辑器由融合TALE阵列的切刻酶（如MutH）与融合TALE阵列的单链脱氨酶（如TadA8e-V106W）组成，切刻酶在靶向位点形成切刻后暴露出互补链的单链DNA，使得单链脱氨酶可以发挥作用，从而介导C-to-T或A-to-G的编辑效果。
论文介绍了上述线粒体碱基编辑器在动物中的应用与尝试，包括在小鼠、大鼠等哺乳动物胚胎中进行线粒体DNA编辑，成年小鼠体内线粒体DNA编辑以及在斑马鱼中进行线粒体DNA编辑。作者还进一步对线粒体基因治疗中面临的脱靶问题进行了讨论，分析和总结了脱靶效应形成的类型和原因。此外在全面介绍检测线粒体基因编辑过程中线粒体全基因组脱靶和核基因组脱靶的方法的基础上，针对线粒体基因组脱靶和核基因组脱靶提出了解决方案。论文还对植物线粒体DNA和叶绿体DNA编辑工具的发展与应用进行了介绍，探讨了其在农业和环境等方面的应用潜力。
上海科技大学陈佳教授、新加坡国立大学Jin-Soo Kim教授为该论文的通讯作者。
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