Nat Rev |人類誘導多能干細胞中線粒體 DNA 突變的影響

原創(chuàng)?楠煙不可言?圖靈基因?2021-12-10 07:02

收錄于話題#前沿分子生物學機制

撰文：楠煙不可言

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這篇文章介紹了誘導多能干細胞?(iPSC)存在線粒體單核苷酸變異?(mtSNV)，近年來的單細胞分析表明，相同的誘導多能干細胞單個細胞之間的轉錄組存在差異。盡管這些差異部分歸因于核基因組的遺傳和表觀遺傳修飾，但新出現(xiàn)的證據(jù)表明線粒體?DNA?的變異也起著關鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)強調了對?iPSC?進行?mtDNA?變異的常規(guī)篩查的必要性。

近日由劍橋大學Patrick F. Chinnery研究組在《nature reviews genetics》雜志上發(fā)表了一篇名為“Implications of mitochondrial DNA mutations in human induced pluripotent stem cells”的文章。誘導多能干細胞?(iPSC)?已成為學術界和工業(yè)界生物醫(yī)學研究的關鍵技術，被廣泛用于人類疾病的機制研究，用作藥物篩選和治療開發(fā)的模型系統(tǒng)，并被用于再生醫(yī)學臨床試驗。iPS應用面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是理解為什么來自單個供體的不同克隆譜系在不同環(huán)境中表現(xiàn)不同，最近的研究表明，源自體細胞的?iPSC?存在線粒體單核苷酸變異?(mtSNV)，且這種變異是異質的，能夠影響線粒體DNA (mtDNA)的一部分。有趣的是，突變?mtDNA?的比例（異質性水平或分數(shù)）在衍生的?iPSC?細胞系中可能存在顯著差異。這些發(fā)現(xiàn)強調了對?iPSC?進行?mtDNA?變異的常規(guī)篩查的必要性。

mtDNA?突變隨著年齡的增長積累：線粒體是以三磷酸腺苷?(ATP)?的形式提供細胞內能量的主要來源，線粒體蛋白構成氧化磷酸化?(OXPHOS)?系統(tǒng)的關鍵組成部分，這對于有氧?ATP?的產(chǎn)生至關重要，但它們可能會被?mtDNA?突變破壞。二十多年來，人們已經(jīng)知道從老年人身上分離的成纖維細胞比從年輕人身上提取的細胞存在更多的mtDNA?突變，但這種嵌合現(xiàn)象的程度才剛剛曝光。引入涵蓋mtDNA的下一代測序表明，異質性?mtSNV?廣泛存在多種組織中，包括衍生的原代成纖維細胞系。這種低水平異質性的背景包括種系遺傳的?mtSNV?和體細胞變異的年齡依賴性積累的混合物，反映了?mtDNA?在整個生命過程中的持續(xù)復制（圖1）。

細胞重編程影響線粒體DNA景觀：細胞重編程過程中異質性水平的急劇變化類似于幾個物種的生殖系統(tǒng)中發(fā)生的事件，其中線粒體DNA數(shù)量的限制導致統(tǒng)計抽樣效應或“遺傳瓶頸”，以及子細胞中不同比例的突變線粒體DNA。在細胞重編程過程中，類似的機制似乎是可行的，盡管目前尚不清楚這一過程是發(fā)生在細胞、細胞器還是線粒體DNA水平。純隨機遺傳瓶頸機制加速了遺傳漂變的速度，異質性水平以相同的概率增加或減少。然而，現(xiàn)在有證據(jù)表明，在細胞重編程過程中，線粒體基因組的不同部分存在著對變體的選擇和對變體的選擇，從而使異質性水平上升或下降。這些發(fā)現(xiàn)指向驅動低水平異質變異體選擇的實際重編程過程，而不是IPSC本身的生物能量需求。線粒體DNA變異也出現(xiàn)在人類胚胎干細胞（ESC）系中，這表明該過程在多能干細胞中具有普遍性。一些iPSC細胞系含有在親代細胞系中檢測不到的線粒體DNA突變。這些變體的主要三核苷酸突變特征不同于先前描述的核基因組，也不同于mtDNA聚合酶-γ（POLG）引入的錯誤，這暗示了一種尚未發(fā)現(xiàn)的新機制。盡管存在于iPSC克隆中的許多MTSNV是沉默的或沒有可檢測的作用，但很大一部分影響細胞功能，導致參與細胞增殖、端粒維持和OXPHOS功能的基因表達差異。從頭突變定義了單個iPSC克隆內的亞群，具有非凡的異質性水平，創(chuàng)造了迄今為止在亞克隆之間存在差異的“隱形”亞系（圖2）。

對iPSCs應用的影響：mtDNA?突變在?iPSC?克隆中很普遍，如果分化過程中基因表達的變化驅動了特定?mtDNA?異質變異或變異亞類的選擇，這應該系統(tǒng)地出現(xiàn)。檢測這些模式可能需要非常大規(guī)模的研究，因為特定的突變可能表現(xiàn)不同，并且由于潛在的瓶頸效應疊加在主要變化上時，影響可能很微妙。先前已經(jīng)從小鼠模型中了解到，純化選擇通過種系瓶頸發(fā)生，影響蛋白質編碼基因或tRNA中不同的mtDNA變體。線粒體基因組的組織特異性優(yōu)先選擇也發(fā)生在不同線粒體DNA單倍型的異質性小鼠模型中，具有不同的組織依賴性方向性。有趣的是，背景mtDNA單倍型也可以影響小鼠胚胎成纖維細胞（MEFs）產(chǎn)生iPSC。這可能是由于在生物合成的“爆發(fā)”過程中產(chǎn)生過多的活性氧，因為在重新編程過程中添加N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以改善這種情況。根據(jù)這一解釋，在iPSC產(chǎn)生過程中，可能存在強烈的選擇傾向于一種單倍型，如果在重編程過程中添加NAC，這種影響將被消除。這些發(fā)現(xiàn)表明，隨機和選擇性機制可以協(xié)同運作，在iPSC重編程和分化過程中決定線粒體DNA異質性的命運。人類iPSCs衍生的類有機物為加深我們對組織分化過程中線粒體DNA異質性分離的理解提供了新的機會，并對線粒體DNA疾病的組織特異性產(chǎn)生了影響（圖3）。

總而言之，線粒體DNA突變普遍存在于iPSC克隆中，可能產(chǎn)生功能性后果。了解線粒體DNA景觀對于再生醫(yī)學研究更為重要，因為臨床結果可能取決于線粒體DNA的體細胞突變。對iPSC?進行?mtDNA?變異的常規(guī)篩查在未來的研究和應用中應該被重視。

教授介紹

Patrick F. Chinnery劍橋大學神經(jīng)病學教授，其研究領域主要是研究線粒體?DNA?與人類疾病的關系以及線粒體遺傳機制。研究涉及鑒定導致線粒體疾病的線粒體和核基因缺陷，剖析下游疾病機制，以及研究線粒體?DNA?遺傳的分子和細胞基礎。

參考文獻

1、Valerio Carelli, Michio Hirano, José Antonio Enríquez et al. Implicationsof mitochondrial DNA mutations in human induced pluripotent stem cells (2021).?https://www.nature.com/articles/s41576-021-00430-z