利用纺锤体移植或原核移植技术预防母系线粒体DNA突变遗传子代的可行性和安全性研究

Mitocondria DNA mutation would cause the mitochondria diseases that are probably inherited to the offspring. The occurrence of spindle-chromosome complex transfer (SCCT) and pronuclear transfer (PNT) technologies provides a potential treatment to conquer this predicament, however the risk and safety of offspring conceived from both technologies in their entire life span have yet to study before SCCT and PNT technologies are applied in clinic settings. In this study, the effects of SCCT and PNT technologies on the offspring would be systematic demonstrated by mouse models and human embryonic stem cells models via molecular, subcelluar, celluar, tissues and organs, and individual levels. By these experiments, it would be confirmed whether the mitochondria function keeps normal in the procedure of SCCT and PNT or not. Moreover the studies using the samples from mouse models or human patients with mitochondria diseases would give a more powerful proof about the feasibility and safety of the both technologies. The results of the present study would illuminate the influence of SCCT and PNT technologies on the offspring conceived from both technologies and have the important significance for exploring the safety of both technologies. Furthermore SCCT and PNT technologies would be improved and optimized by the present study results and provide the theoretical basis for its application in clinic in future.

线粒体DNA突变是线粒体疾病的重要诱因，同时存在遗传给子代的风险。纺锤体-染色体复合物移植（SCCT）或原核移植（PNT）技术的出现为解决这一困扰提供了潜在的方案，目前两种技术距离临床应用还缺乏足够的安全性证据，特别是子代的长期安全性。针对这一问题，本研究拟采用小鼠模型与人胚胎干细胞两种研究模型，从分子、亚细胞、细胞、组织器官和个体水平上，对SCCT和PNT技术对子代的长期影响进行系统论证，明确线粒体功能是否在借助两种技术出生的子代或建立的胚胎干细胞系中存在异常。而借助于线粒体疾病模型，进一步明确线粒体功能是否可以被成功修复的同时，证明子代是否可以长期保持正常表型。通过本研究，可以阐明SCCT和PNT技术对于出生子代长期安全性的影响，对于揭示其安全性具有重要意义，同时通过疾病模型的模拟治疗过程和长期发育观察，可以促进SCCT和PNT技术的进一步优化和改进，为推进其临床应用提供理论基础。

线粒体是机体细胞内重要的细胞器，产生机体活动所需的能量。线粒体DNA突变会导致线粒体遗传病，此类疾病没有治愈的可能性，且死亡几率极大，因此胚胎早期阻断疾病线粒体遗传是解决这一疾病子代遗传的最佳策略。核质置换技术是将患者的核遗传物质从患者的卵母细胞中取出，注射进入去除细胞核的健康胞质中，将遗传突变的线粒体比例降低到发病阈值下，从而阻断线粒体遗传突变的子代传递。尽管该技术2016年在墨西哥取得临床突破，获得出生后代，但是其长期安全性还缺乏研究。我们在本课题中，以原核移植为重点突破方向，建立有效的核质置换平台，可以有效将核供体的线粒体比例降低到5%以下。尽管利用该技术出生的子代，在早期没有生理指标的差异，但是老年期主要线粒体供能器官的基因表达检测发现，都存在较多的差异基因表达， 且这些基因的功能与线粒体，能量代谢，主要系统的疾病都密切相关，提示该技术仍然需要不断的完善，同时在进入临床前必须完成缜密的安全性评价。为了进一步明确线粒体异质性对机体代谢及疾病的影响，本课题利用体细胞，干细胞，生殖细胞等不同细胞类型，阐明代谢异常可以导致此类细胞能量代谢异常，进而诱导机体代谢综合征的发生。同时，我们利用高通量测序对核质置换胚胎进行检测，筛选得到SIRT3，ECTA1，CXCR4，PLK1和DCTN3等关键分子。利用小鼠与人类细胞模型，对上述基因的功能开展研究，在分子，细胞器，细胞及动物等不同层面，揭示这些关键基因与线粒体，纺锤体组装等生殖细胞生物学行为的关系，是后续筛选和改善核质置换胚胎的关键分子标志物。鉴于课题执行期间，国际基因编辑领域发展迅速，课题组同时开展线粒体基因编辑的工作，建立线粒体突变患者的iPS细胞，并利用mitoTALEN技术完成突变位点的切割，实现突变线粒体的靶向清除。本课题从多角度多层面阐明了核质置换技术阻断线粒体遗传病的可行性和风险，并创新性的建立线粒体靶向清除技术，为阻断线粒体遗传病子代遗传奠定理论基础。