发现单细胞中隐藏的线粒体突变

开创性的单细胞测序技术揭示了线粒体基因组编辑的风险，以及人类卵母细胞和合成胚胎中隐藏的线粒体突变。

　　

   

   

图片:人类胚泡样的合成胚胎，称为胚泡，显示存在一层胚胎外细胞，胚腔样腔，外胚细胞(绿色，产生未来胚胎)和下胚细胞(红色，产生未来羊膜)。iMiGSeq用于测序单个芽母细胞中的mtDNA，以模拟人类胚胎发生过程中mtDNA突变的动态。

一种被称为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)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平台。

由KAUST干细胞生物学家Mo Li领导的一个国际研究团队现在定量描绘了单个人类卵母细胞(未成熟卵子)和囊胚细胞(基于干细胞的合成胚胎)[1]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。

线粒体是细胞的“发电站”，在细胞通讯和代谢中起着至关重要的作用。人类线粒体dna是一个环形基因组，包含37个基因，编码13个蛋白质和一个非编码d环区。从卵细胞遗传的异质突变可导致先天性疾病，如母体遗传的利综合征，并与晚发性复杂疾病有关。

“下一代测序已被用于mtDNA测序，并提示异质突变是代谢性疾病的重要因素。然而，由于传统测序技术的限制，对mtDNA突变的了解仍然有限，”该研究的第一作者Chongwei Bi说。

Bi说:“我们新的iMiGseq方法意义重大，因为它可以对单个细胞中的单个mtDNA进行完整测序，允许对全长mtDNA进行无偏倚的、高通量的基分辨率分析。”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，研究人员在单细胞中描述了mtDNA的异质性，并描述了单个卵母细胞中mtDNA的遗传特征。他们检测了来自Leigh综合征、神经病、共济失调或色变性视网膜炎(NARP)患者的诱导多能干细胞中的mtDNA。这揭示了复杂的致病mtDNA突变模式，包括单核苷酸变异和大的结构变异。“我们能够检测到频率远低于1%的传统检测阈值的罕见突变，”Li说。

在另一项使用新技术的实验中，iMiGseq揭示了在一种名为mitoTALEN的线粒体基因组编辑方法中，脱靶突变(称为异质性)频率意外大幅增加的潜在风险，mitoTALEN是一种基因组编辑工具，用于切割线粒体DNA中的特定序列。它被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。

“这突出了全长mtDNA单倍型分析在理解线粒体DNA异质性变化方面的优势;其他遥远的mtDNA遗传变异可能会无意中受到基因相关疾病突变编辑的影响，因此需要超灵敏的方法来评估编辑策略的安全性，”Li说。

研究人员还使用iMiGseq分析了来自健康捐赠者的单个人类卵母细胞和单个人类胚细胞(由干细胞制成的合成胚胎)，以确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女性生殖系遗传，与线粒体疾病和癌症有关。

iMiGseq方法提供了一种新颖的方法来准确描述单细胞中单个mtDNA的完整单倍型，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。

文章标题

Quantitative haplotype-resolved analysis of mitochondrial DNA heteroplasmy in Human single oocytes, blastoids, and pluripotent stem cells