哺乳动物线粒体DNA（mtDNA）是维持氧化磷酸化功能的关键遗传物质，其复制依赖于DNA聚合酶γ（POLγ）。POLγ是由催化亚基POLγA和两个辅助亚基POLγB组成的异源三聚体复合物，其中编码POLγA的POLG基因突变是导致遗传性线粒体疾病的主要原因。目前已有超过300种POLG突变被报道，这些突变通过破坏POLγ活性引发mtDNA耗竭或缺失，进而导致多系统功能障碍。临床上，POLG突变相关疾病具有高致死率，且尚无有效治疗方法。

2025年4月9日，来自瑞典哥德堡大学的研究团队在《Nature》（IF = 50.5）发表了题为“Small molecules restore mutant mitochondrial DNA polymerase activity”的研究文章。研究团队首次发现并表征了一种新型小分子化合物PZL-A可作为mtDNA合成的变构激活剂，通过恢复突变POLγ的酶活性，并促进线粒体mtDNA合成，提高线粒体为细胞提供能量的能力，为治疗 POLG 疾病和其他与mtDNA 耗竭相关的严重疾病提供了新的策略。

01  PZL-A可显著提高POLγ活性

研究人员对270,000种化合物进行高通量表型筛选，筛选出能够增强野生型POLγ酶活的先导小分子。具体通过高通量重组体体外DNA合成测定和常见突变致病突变模型，寻找能够促进POLγ活性并减轻与酶功能受损相关表型的潜在化合物（图1A-B）。通过AC50分析和酶活性测定等实验，研究人员发现并验证了小分子化合物PZL-A不仅能够显著激活多种突变型POLγ，还对野生型POLγ具有一定的激活作用（图1C-D）。

02  PZL-A与POLγA-POLγB界面处结合，增强POLγ稳定性

为了探究PZL-A在DNA合成过程中如何与POLγ突变体相互作用，研究人员通过冷冻电镜（cryo-EM）解析了PZL-A与POLγ结合后，POLγ构象延伸区域的三维结构。结果显示，PZL-A并非直接作用于某突变位点，而是与POLγA与POLγB界面处的特定疏水口袋相结合（图2A-B），重要的是，这一区域通常不受大多数致病突变的影响。PZL-A在此处像一个“分子稳定剂”稳定POLγ的构象，并且增强POLγ与DNA模板的结合稳定性，显著提升突变体POLγ的活性，甚至使其DNA持续合成能力接近于野生型POLγ（图2C）。

03  PZL-A显著促进复制体形成

POLγ功能的正常发挥还需要与线粒体DNA解旋酶和线粒体单链DNA结合蛋白的协同作用，三者形成功能性复制体，以驱动mtDNA的高效复制。基于此，研究人员使用含预构建复制叉的双链DNA模板模拟体内复制环境，进一步探究了PZL-A对复制体功能的影响（图3A）。实验结果显示，野生型复制体能够高效的进行滚环合成，POLγ突变体则会导致DNA合成严重缺陷。而PZL-A的加入能够显著促进突变体的DNA合成速率，使其复制产物的水平能够接近野生型（图3B）。以上结果表明PZL-A能够显著促进复制体合成，恢复POLγ突变体的线粒体DNA复制能力。

04  PZL-A可恢复POLγ功能，激活mtDNA合成

研究人员最后探究了PZL-A对POLG突变成纤维细胞中mtDNA合成的影响。结果显示，PZL-A显著刺激了POLG突变成纤维细胞中mtDNA的再增殖（图4A）。放射性标记的dCTP掺入实验表明，PZL-A直接进入线粒体，激活POLγ突变体的mtDNA合成，最终剂量依赖性地促进分裂细胞的mtDNA再增殖，并恢复复制中间体DNA水平至野生型状态（图4B-C）。此外，PZL-A处理显著增强了患者细胞中线粒体氧化磷酸化亚基的表达，提升了基础呼吸、最大耗氧率和ATP合成能力（图4D-E）。这些结果表明，PZL-A通过恢复POLγ功能，激活mtDNA合成，从而增强氧化磷酸化机制和细胞呼吸的生物发生，为治疗POLG突变相关的线粒体疾病提供了关键的实验依据。

总结与讨论

针对由POLG基因突变引发的罕见遗传病，本研究首次提出了一种突破性治疗策略。研究发现的小分子化合物PLZ-A是一种有效的mtDNA合成修复的小分子激活剂，能够广泛修复多种POLG突变体的DNA聚合酶γ（POLγ）功能。该分子通过在蛋白水平靶向POLγA与POLγB亚基交界处的变构调节位点（该区域具有突变保守性——即不受高频致病突变影响），逆转了POLγA的基因POLG突变带来的mtDNA合成缺陷的影响，改善线粒体DNA合成，最终提高线粒体为细胞提供能量的能力。

该发现不仅为POLG相关线粒体疾病提供了首个广谱性候选药物，更开创了通过变构调节修复多样化基因突变的新范式，靶向这一特殊结合区域可能成为相关疾病药物创新研发的重点，这一机制对复杂遗传病的精准治疗也具有重要启示。

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相关文献

Valenzuela S, Zhu X, Macao B, et al. Small molecules restore mutant mitochondrial DNA polymerase activity. Nature. 10.1038/s41586-025-08856-9. 9 Apr. 2025.