科學家成功培育“線粒體DNA突變生成器”豬模型

近日，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院（以下簡稱廣州健康院）工具豬研究組與醫用大動物研究組，聯合五邑大學等機構，利用先導編輯技術結合體細胞核移植技術，成功培育出攜帶校對功能缺陷型線粒體DNA聚合酶γ的豬模型。該模型表現出線粒體DNA隨年齡增長而累積突變的特征，并精準重現了人類線粒體功能障礙所導致的早衰表型。相關成果發表于《科學進展》。

（A）POLG基因突變位點示意圖；（B）2月齡和4月齡純合子豬模型照片（同一頭豬）；（C）純合子、雜合子和野生型豬mtDNA突變總體分布情況。研究團隊供圖

線粒體作為細胞的“能量工廠”，擁有獨立的遺傳物質——線粒體DNA，且僅通過母系遺傳。線粒體DNA復制依賴DNA聚合酶γ（由POLG基因編碼），其3′-5′外切酶結構域具有校對功能，可修正復制錯誤。當該校對功能缺失時，線粒體DNA突變大量積累，加速細胞衰老，最終引發體重下降、脫發、脊柱彎曲、壽命縮短等早衰癥狀。

為探究線粒體DNA突變積累與機體衰老的因果關系，既往研究多采用小鼠模型，并證實POLG蛋白功能缺陷所致突變累積是驅動衰老的關鍵因素。然而，小鼠與人類在體型、壽命、代謝方式等方面差異顯著，難以精確模擬人類疾病的臨床表型，研究成果向臨床轉化存在局限。豬因器官大小、生理代謝及免疫系統與人類高度相似，被視為更理想的人類疾病研究模型。

研究團隊通過先導編輯技術，在豬POLG基因中實現特定堿基精準替換（A→C），使其編碼蛋白的校對功能失活。經優化設計，細胞水平的編輯效率超過50%，隨后利用體細胞核移植技術，成功獲得純合基因缺陷豬模型。該模型表現出典型的全身性早衰癥狀，包括體重顯著下降、毛發粗糙、嚴重貧血、皮膚及睪丸組織病變，且壽命明顯縮短（多數個體存活不足7個月）。與小鼠模型相比，豬模型的癥狀出現更早、程度更重，更貼近人類患者臨床表型，彌補了小鼠模型“病情輕微”的不足。深度測序顯示，突變豬體內線粒體DNA突變隨年齡不斷累積，且不同組織間突變負荷存在差異，該特征與人類線粒體疾病高度一致。

論文共同通訊作者、廣州健康院研究員賴良學表示，將該豬模型中的線粒體DNA突變與人類致病突變數據庫比對后發現，其可覆蓋超過70%的人類致病性線粒體DNA突變。因此，該模型不僅是研究早衰的有力工具，更是一個“線粒體DNA突變生成器”，可通過篩選攜帶特定致病突變的個體，定向培育針對不同線粒體疾病的豬模型，有望解決當前該類疾病大動物模型極度匱乏的瓶頸問題。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adu0632