近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院工具猪研究组和医用大动物研究组联合五邑大学等机构，在国际学术期刊Science Advances上发表了题为“Development of mitochondrial mutator pigs exhibiting increased mitochondrial DNA mutations and premature aging via prime editing”的最新研究成果。该研究利用先导编辑技术结合体细胞核移植技术，成功培育出“线粒体DNA突变生成器”猪模型。该模型携带校对功能缺陷的线粒体DNA聚合酶γ，表现出线粒体DNA随年龄增长而累积突变的特征，并精准重现了人类线粒体功能障碍所引发的早衰表型。

线粒体几乎存在于我们身体的每一个细胞中，负责生产细胞活动所需的能量，因此被称为细胞的“能量工厂”。线粒体有一个独特之处：它拥有自己独立的遗传物质—线粒体DNA，只从母亲遗传给后代。当线粒体DNA复制时，需要一种叫做“DNA聚合酶γ”（由POLG基因编码）的关键酶来保证复制的准确性。这个酶的3'-5'外切酶结构域就像一位“校对员”，负责检查和修正复制过程中出现的错误。一旦这位“校对员”失职，线粒体DNA的突变就会大量累积，加速细胞衰老，最终导致身体出现早衰症状，例如体重下降、脱发、脊柱弯曲，甚至寿命缩短。

那么，厘清线粒体DNA突变积累与机体衰老之间的关系，是否能帮助人们更健康地老去？为此，科学家们培育出携带类似基因缺陷的小鼠模型，试图在模式动物中探究二者的关联。小鼠确实帮了大忙，让人们认识到POLG蛋白功能缺陷所引起的线粒体DNA突变积累，是驱动机体衰老的关键因素。但问题在于：小鼠和人类的差异太大了。小鼠体型小、寿命短、代谢方式与人类不同，难以精确地模拟人类疾病的临床表型。从小鼠身上得到的实验结果，往往难以直接应用到人类身上。于是，科学家们把目光投向了猪。猪的器官大小、生理代谢、免疫系统都和人类高度相似，被认为是研究人类疾病的理想“替身”。

为了使线粒体DNA聚合酶γ的“校对员”功能丧失，需要把猪POLG基因中的一个特定碱基从“A”变成“C”。传统的基因编辑工具难以做到如此精准的单碱基替换。为此，研究人员采用了先导编辑技术—一种具备“搜索替换”功能的新型基因编辑工具。通过优化设计，在猪的细胞中实现了超过50%的精确编辑效率，随后通过体细胞核移植技术，成功培育出失去了线粒体DNA复制校对功能的猪模型。

携带纯合基因缺陷的猪表现出典型的全身性早衰症状，包括体重显著下降、毛发粗糙杂乱、严重贫血、皮肤和睾丸组织发生病变、寿命明显缩短（大多数未能活过7个月）。更关键的是，与小鼠模型相比，猪模型的症状出现得更早、程度更严重，更接近人类患者的真实情况，弥补了小鼠模型“病情太轻”的短板。

通过对突变猪的线粒体DNA进行深度测序，研究团队发现：随着年龄增长，猪体内的线粒体DNA突变不断累积，且不同组织的突变程度存在差异。这些特征与人类线粒体疾病高度吻合。

将猪模型中出现的线粒体DNA突变与人类致病突变数据库对比后发现，这种猪可以复现超过70%的人类致病线粒体DNA突变。这意味着，这种猪不只是研究早衰的工具，更是一个“线粒体DNA突变生成器”。科学家可以从中筛选携带特定致病突变的个体，进而培育出针对不同线粒体疾病的猪模型，有望解决当前线粒体疾病动物模型极度匮乏的难题。

论文共同第一作者为中国科学院广州生物医药与健康研究院陈方兵博士、梁艳慧副研究员、五邑大学已毕业硕士生郑伟和广州医科大学已毕业硕士生姚奥博。通讯作者为王可品研究员、赖良学研究员和梁艳慧副研究员。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、广东省自然科学基金等项目的资助。

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培育出的“线粒体DNA突变生成器”猪模型

图注：（A）POLG基因突变位点示意图；（B）2月龄和4月龄纯合子猪模型照片（同一头猪）；（C）纯合子、杂合子和野生型猪mtDNA突变总体分布情况。