阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）幹細胞生物學家Mo Li領導的一個國際研究小組現在已經定量描繪了單個人類卵細胞（未成熟的卵子）和blastoids（基於乾細胞的合成胚胎）中mtDNA的遺傳圖譜。這揭示了導致母系遺傳疾病的罕見mtDNA突變的分子特徵。

一個類似於人類囊胚的合成胚胎，稱為囊胚，顯示了胚胎外細胞的包圍層、類似於囊腔的腔體、上胚層細胞（綠色，產生未來的胚胎）和下胚層細胞（紅色，產生未來的羊膜）的存在。iMiGSeq被用來對單個囊胚的mtDNA進行測序，以模擬人類胚胎髮育期間mtDNA突變的動態。資料來源：© 2023 KAUST; Mo Li

線粒體是細胞的”動力室”，在細胞通訊和新陳代謝中發揮著關鍵作用。人類的mtDNA是一個圓形基因組，包含37個基因，編碼13種蛋白質和一個非編碼的D環區。從卵細胞中遺傳的異質性突變可導致先天性疾病，如母系遺傳的利氏綜合徵，並與晚期發病的複雜疾病有關。

“下一代測序已被用於對mtDNA進行測序，並暗示異質體突變是代謝性疾病的重要促成因素。然而，由於傳統測序技術的限制，對mtDNA突變的理解仍然有限，”領銜作者畢崇偉說。

畢說：”我們新的iMiGseq方法意義重大，因為它能夠對單細胞中的單個mtDNA進行完整的測序，允許對全長mtDNA進行無偏見、高通量的鹼基分辨率分析。”

利用第三代納米孔測序技術，研究人員已經確定了單細胞中mtDNA異質性的特徵，並描述了單個卵母細胞中mtDNA的遺傳特徵。他們檢查了從利氏綜合症或神經病變、共濟失調或色素性視網膜炎（NARP）患者中提取的誘導多能幹細胞的mtDNA。這揭示了複雜的致病性mtDNA突變模式，包括單核苷酸變異和大型結構變異。”Mo Li說：”我們能夠檢測到頻率遠遠低於傳統檢測閾值1%的罕見突變。

在另一項使用新技術的實驗中，iMiGseq揭示了在一種名為mitoTALEN的線粒體基因組編輯方法中，非目標突變（稱為異質性）頻率意外大幅增加的潛在風險–這種基因組編輯工具可以切割線粒體DNA中的特定序列。它被用來切割導致患者衍生的誘導多能幹細胞中線粒體腦肌病和中風樣發作綜合症的突變。

“這突出了全長mtDNA單倍型分析在了解線粒體DNA異質性變化方面的優勢；其他遙遠的mtDNA遺傳變體可能無意中受到與遺傳相關的疾病突變的編輯影響，需要有超靈敏的方法來評估編輯策略的安全性，”Li說。

研究人員還使用iMiGseq分析來自健康捐贈者的單個人類卵母細胞和單個人類blastoids（由幹細胞製成的合成胚胎），以確定常規下一代測序無法檢測到的罕見突變。這些低水平的異質體突變可能通過女性生殖系統遺傳，與線粒體疾病和癌症有關。

iMiGseq方法提供了一種新的手段來準確描繪單個細胞中mtDNA的完整單倍型，為解釋線粒體突變相關疾病的原因、評估各種mtDNA編輯策略的安全性以及解開mtDNA突變、衰老和復雜疾病發展之間的聯繫提供了一個理想的平台。