人類有46條染色體，每條染色體的兩端都被稱為端粒的重復序列封頂。如果你向生物學家詢問人類是否患有環(huán)狀DNA，他們可能會說'不'。這是因為真核細胞核具有線性染色體，而原核生物具有環(huán)狀核和質(zhì)粒。然而，生物學家也知道，我們的大部分細胞都有線粒體，事實上，它們保留了循環(huán)DNA，染色體'M'，它們是從原核祖先遺傳下來的。

然后人們可能會問：線粒體是否包含線性DNA?這第二個問題的正確答案，有點偷偷摸摸的問題，再次是肯定的。線粒體中的核仁確實需要是圓形的，以便復制DNA的機器起作用。線粒體中的轉(zhuǎn)錄與復制直接相關(guān)，并且還需要環(huán)化的類核。然而，線性類核以與線粒體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的圓形類核平衡的健康狀態(tài)存在。這為細胞或組織提供了一種直接控制線粒體DNA豐度的方法，并暗示了線粒體的狀態(tài)和豐度。

線性mtDNA的命運是什么?雙鏈斷裂(DSB)作為復制停滯的副產(chǎn)物或者受損和錯誤復制的核苷酸的DNA修復失敗而不斷產(chǎn)生。雖然核仁通?？稍诩s90分鐘內(nèi)自行復制，但當核苷酸儲存不足或變得不均衡時，DNA聚合酶會被懸掛干燥。當這種情況發(fā)生時，情況就會崩潰;必要因素開始離開復制 - 轉(zhuǎn)錄復合體，正確的校對成為常見的傷亡。

當涉及到DNA損傷時，通常認為完整的雙鏈斷裂是最差的。松散的末端基本上是帶電線，可以以危險的方式重新組合以造成跨代的破壞。細胞核中的線性染色體使用端粒來保護其松散末端免受普遍存在的核酸酶的降解。復制這些特殊保護特征需要與復制染色體其余部分不同的過程。雖然線粒體顯示能夠使用同源重組和DNA連接酶修復某些DSB，但更常見的處理DSB的方法是用外切核酸酶來修復。

直到最近，人們才知道線性mtDNA是如何降解的。“自然”雜志上一篇新論文的作者現(xiàn)已表明，負責復制mtDNA的相同機制也會對其進行監(jiān)管。發(fā)現(xiàn)所涉及的三種主要蛋白質(zhì)，解旋酶TWNK，聚合酶POLG和外切核酸酶MGME1一起結(jié)合成功能單元。TWNK首先用于解開DNA，以便可以訪問單個鏈。MGME1在單鏈DNA的5'至3'方向上具有強烈的偏向，然后開始消化一條鏈。

作者的關(guān)鍵見解是，另一條鏈同時由內(nèi)置于POLG聚合酶的主要亞基中的天然3'至5'核酸外切酶活性加工。引入特定突變以消除核酸外切酶作用導致降解線性mtDNA的能力受損。POLG突變是線粒體疾病的常見原因，特別是在線粒體DNA消耗和缺失障礙中?，F(xiàn)在存在大小的數(shù)據(jù)庫只是為了跟蹤新報告的POLG變體及其所有已知效果。

由于POLG的亞基編碼在細胞核中(在核子核基因組內(nèi))，因此可以使用CRISPR基因編輯技術(shù)校正錯誤版本的POLG。mtDNA內(nèi)的突變本身經(jīng)常導致其他類型的線粒體疾病。有時，正常良性mtDNA變體的特定組合甚至可以產(chǎn)生疾病狀態(tài)。不幸的是，CRISPR對于編輯線粒體的最小，緊湊的基因組沒有多大意義。極少數(shù)候選位點的CRISPR甚至可能在mtDNA中具有物理可能性。對于這些類型的問題，最近可以獲得可以在特定位置切割DNA的新設(shè)計核酸酶如TALEN(轉(zhuǎn)錄活化劑樣效應核酸酶)和ZFN(鋅指核酸酶)。

所謂的線粒體一次性基因組的美妙之處在于，完整的基因編輯不是解決疾病所必需的。所有人都需要做的是打開任何有害的類核，然后讓內(nèi)源性降解系統(tǒng)發(fā)揮作用。這里的主要困難是找出壞核的主要位置，以及如何專門定位它們。眾所周知，不同的組織可以優(yōu)先耗盡健康的線粒體，或選擇性地積累受損的mtDNA。例如，成纖維細胞和骨骼肌與特定的身體病理學相關(guān)，而視網(wǎng)膜和小腦具有對神經(jīng)功能的特異性損傷。

假設(shè)人們可以通過直接注射在體內(nèi)的關(guān)鍵接入點補充mtDNA，則可以通過線粒體結(jié)合和清除的交替循環(huán)來全面改善股票。換句話說，適當包封的良好線粒體可以周期性地移植到血液，CSF或肌肉中。然后，經(jīng)過一段時間的延遲，核酸酶治療可以交替引入DSB和一段隨后的降解。這至少在理論上可以將壞的線粒體稀釋到任意小的濃度。這種策略甚至不需要核酸酶在靶向mtDNA的突變部分方面具有完全選擇性。

我們稱之為“線粒體免疫療法”的另一種方法也可能是對克隆性突變mtDNA問題應用更多能量的一種方法。這將與現(xiàn)在非常成功的癌癥免疫療法類似地起作用。在某些疾病狀況下，例如原發(fā)性膽汁性肝硬化，免疫系統(tǒng)錯誤地將天然線粒體定位的抗原解釋為外來敵人。在這種情況下，它是在線粒體基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的丙酮酸脫氫酶復合物的E2亞基，它是罪魁禍首。免疫系統(tǒng)還可識別特定的新生突變線粒體產(chǎn)物，以及裸mtDNA的原核特征。例如，如果血液或組織中的白細胞呈現(xiàn)，則低甲基化的CpG位點或氧化損傷的mtDNA可以是高度免疫原性的。

威爾康線粒體研究中心的研究人員Doug Turnbill和Robert Taylor提供了關(guān)于雙鏈斷裂可能發(fā)生和解決的一些額外見解(和警告)。在一篇特定的論文中，他們提出mtDNA缺失最常見于DNA損傷的修復過程中，而不是復制錯誤。更具體地說，它們提供特征性缺失由mtDNA的單鏈區(qū)段引發(fā)，而這些區(qū)段又由攻擊雙鏈斷裂的核酸外切酶產(chǎn)生。游離的單鏈能夠與其他單鏈mtDNA上的微同源或重復序列退火，并進行修復至完整但部分缺失的狀態(tài)。

在后來的一篇論文中，這些研究人員報告說，線粒體疾病患者在黑質(zhì)中顯示出相當大的神經(jīng)元丟失，這些患者都有POLG突變?？紤]到在完全正常和健康的人群中，在其黑質(zhì)神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)的mtDNA中約有一半至少有一個缺失，開發(fā)治療以修復這些可預測的侮辱應該是快速發(fā)展的線粒體醫(yī)學領(lǐng)域的關(guān)鍵焦點。