综述解读：靶向线粒体DNA的递送策略

作者：杨超月

线粒体是细胞内的能量工厂，在细胞代谢中发挥着重要的作用，线粒体DNA（mtDNA）编码了多种蛋白，且mtDNA的突变会导致线粒体功能的紊乱，最终导致多种先天性疾病的发生。目前，靶向线粒体的基因传递系统已经被开发用来改善mtDNA 突变。然而，这些策略在线粒体基因治疗中的应用仍在探索和优化中。

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这篇综述作者是Naoto Yoshinaga和Keiji Numata，文章重点介绍了最近用于基因治疗的线粒体靶向策略，并讨论了线粒体靶向基因递送的未来发展方向。

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摘要图：线粒体靶向策略概述图

药物递送技术可以将多种药物（小分子药物、核酸药物、以及蛋白质）靶向到特定的细胞器、组织或细胞。靶向细胞器可以提高治疗效果，减少副作用，而线粒体因能够产生能量（ATP）、控制细胞内活性氧以及钙离子的水平、调节自噬等成为了亚细胞器中很有发展前景的靶点。此外人类的mtDNA是多拷贝、环状和双链的，包含16568个碱基对，可以编码37个基因、22种tRNA、13种对ATP合成相关的重要蛋白质以及2种rRNA。mtDNA 与核 DNA 不同，它不被组蛋白包装和保护，并且长期暴露于ROS中，因此，随着时间的推移，突变的风险会增加。mtDNA突变引起的线粒体功能障碍会导致多种遗传性疾病，如神经退行性疾病、糖尿病和癌症。除了针对人类线粒体进行基因治疗外，植物线粒体还是农业领域的重要靶细胞器，因此开发针对 mtDNA 的递送策略一直是研究热点。

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图1 mtDNA的结构 线粒体基因传递

如上所述，人类 mtDNA 突变与多种线粒体疾病有关，并严重破坏细胞代谢的平衡。特别是，与氧化磷酸化相关蛋白的突变会抑制 ATP 的产生。当线粒体中突变的 mtDNA 与健康的野生型 mtDNA 的比率（称为线粒体异质性）超过某个阈值时，就会发生这种线粒体功能障碍。对于线粒体疾病治疗，通过增加野生型 mtDNA或者利用基因组编辑修复突变的 mtDNA 以及消除突变的 mtDNA 来改善线粒体异质性是一种有效的策略（图2）。在线粒体基因治疗的早期阶段，健康细胞的细胞质在体外模型中可以与线粒体缺陷细胞融合，以提供完整的线粒体，通过这种方法，线粒体功能得以恢复。迄今为止，已经开发了多种用于线粒体基因治疗的策略（表1）。本文将重点介绍基于几种核酸递送的线粒体基因治疗在最近取得的成就，并根据线粒体的靶向方法进行分类。

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图2 线粒体异质性导致线粒体疾病示意图表1 靶向线粒体的核酸递送载体的总览表

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线粒体靶向信号肽(MTS)

将质粒DNA(pDNA)引入线粒体是利用基因治疗方法提供必必需的线粒体蛋白的最为直接的方法。然而，由于线粒体外膜只对低分子量或者中等分子量的物质具有渗透性，因此需要有效的递送系统才能将质粒导入线粒体内。MTS是常用的线粒体靶向递送的工具之一。大多数线粒体蛋白在核基因组中编码然后运输到线粒体。线粒体蛋白通常在 N 端具有MTS，并表现出两亲性 α-螺旋结构，其两侧分别为阳离子和疏水残基。MTS 序列被线粒体外膜 (TOM) 复合物中带负电荷的转位酶识别，并通过桶状 TOM40 转位酶转移到线粒体膜间隙。内膜转位酶 (TIM) ，也是带负电荷的复合物，可以识别 MTS 并最终允许线粒体蛋白进入线粒体基质。这种机制已经扩展应用到线粒体靶向递送。Bennett 设计了一种基于一种功能性蛋白的 MTS 的基因传递系统，称为protofection。它由三个结构域组成：（i）蛋白质转导结构域（PTD），其序列与病毒蛋白相似，用于增强细胞摄取（ii）用于线粒体靶向的MTS结构域（iii）线粒体转录因子 A(TFAM)，对mtDNA的复制至关重要。含有PTD-MTS-TFAM的野生型 mtDNA 成功转运到线粒体中，从而提高了疾病细胞系的呼吸速率和 mtDNA 拷贝数，降低了突变 mtDNA。值得注意的是，将PTD-MTS-TFAM/mtDNA 复合物静脉注射到小鼠尾静脉可提高大脑和骨骼肌线粒体中 NADH 泛醌氧化还原酶驱动的呼吸速率。