揭示单细胞中隐藏的线粒体突变

一种称为iMiGseq的高通量单细胞单线粒体基因组测序技术为线粒体DNA(mtDNA)的突变提供了新的见解，并为评估mtDNA编辑策略和胚胎植入前的遗传诊断提供了一个平台。

由KAUST干细胞生物学家Mo Li领导的一个国际研究小组现在已经定量描绘了单个人类卵母细胞(未成熟卵子)和胚泡(基于干细胞的合成胚胎)中mtDNA的遗传图谱。这揭示了导致母系遗传疾病的罕见mtDNA突变的分子特征。

线粒体在细胞通讯和新陈代谢中起着至关重要的作用。人类mtDNA是一个环状基因组，包含37个基因，编码13个蛋白质和非编码D环区域。遗传自卵细胞的异质突变可引起先天性疾病，如母系遗传的Leigh综合征，并与迟发性复杂疾病有关。

“下一代测序已被用于对mtDNA进行测序，并将异质突变作为代谢疾病的重要贡献者。然而，由于传统测序技术的限制，对mtDNA突变的理解仍然有限，“主要作者Chongwei Bi说。

“我们新的iMiGseq方法意义重大，因为它能够对单个细胞中的单个mtDNA进行完整测序，从而可以对全长mtDNA进行无偏差，高通量碱基分辨率分析，”Bi说。iMiGseq解决了该领域的几个关键问题。

利用第三代纳米孔测序技术，研究人员表征了单细胞中的mtDNA异质性，并描述了单卵母细胞中mtDNA的遗传特征。他们检查了源自Leigh综合征或神经病变，共济失调或视网膜色素变性(NARP)患者的诱导多能干细胞中的mtDNA。这揭示了致病性mtDNA突变的复杂模式，包括单核苷酸变异和大结构变异。“我们能够检测到频率远低于传统检测阈值1%的罕见突变，”莫李说。

在另一项使用新技术的实验中，iMiGseq揭示了线粒体基因组编辑方法mitoTALEN中脱靶突变频率意外大幅增加的潜在风险，这是一种切割线粒体DNA中特定序列的基因组编辑工具。它用于在患者来源的诱导多能干细胞中切割导致线粒体脑肌病和中风样发作综合征的突变。

这两项研究都发表在《核酸研究》上。

“这突出了全长mtDNA单倍型分析在了解线粒体DNA异质性变化方面的优势;其他远距离mtDNA遗传变异可能会无意中受到遗传相关疾病相关突变的编辑影响，并且需要超灵敏的方法来评估编辑策略的安全性，“李说。

研究人员还使用iMiGseq分析来自健康供体的单个人类卵母细胞和单个人胚泡，即由干细胞制成的合成胚胎，以鉴定传统下一代测序无法检测到的罕见突变。这些低水平的异质突变可能通过雌性种系遗传，与线粒体疾病和癌症有关。

iMiGseq方法提供了一种准确描述单细胞中单个mtDNA的完整单倍型的新方法，为解释线粒体突变相关疾病的原因，评估各种mtDNA编辑策略的安全性以及揭示mtDNA突变，衰老和复杂疾病发展之间的联系提供了理想的平台。