Nat Rev |人类诱导多能干细胞中线粒体 DNA 突变的影响

原创 楠烟不可言 图灵基因 2021-12-10 07:02

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：楠烟不可言

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亮点：

这篇文章介绍了诱导多能干细胞 (iPSC)存在线粒体单核苷酸变异 (mtSNV)，近年来的单细胞分析表明，相同的诱导多能干细胞单个细胞之间的转录组存在差异。尽管这些差异部分归因于核基因组的遗传和表观遗传修饰，但新出现的证据表明线粒体 DNA 的变异也起着关键作用。这些发现强调了对 iPSC 进行 mtDNA 变异的常规筛查的必要性。

近日由剑桥大学Patrick F. Chinnery研究组在《nature reviews genetics》杂志上发表了一篇名为“Implications of mitochondrial DNA mutations in human induced pluripotent stem cells”的文章。诱导多能干细胞 (iPSC) 已成为学术界和工业界生物医学研究的关键技术，被广泛用于人类疾病的机制研究，用作药物筛选和治疗开发的模型系统，并被用于再生医学临床试验。iPS应用面临的一个关键挑战是理解为什么来自单个供体的不同克隆谱系在不同环境中表现不同，最近的研究表明，源自体细胞的 iPSC 存在线粒体单核苷酸变异 (mtSNV)，且这种变异是异质的，能够影响线粒体DNA (mtDNA)的一部分。有趣的是，突变 mtDNA 的比例（异质性水平或分数）在衍生的 iPSC 细胞系中可能存在显着差异。这些发现强调了对 iPSC 进行 mtDNA 变异的常规筛查的必要性。

mtDNA 突变随着年龄的增长积累：线粒体是以三磷酸腺苷 (ATP) 的形式提供细胞内能量的主要来源，线粒体蛋白构成氧化磷酸化 (OXPHOS) 系统的关键组成部分，这对于有氧 ATP 的产生至关重要，但它们可能会被 mtDNA 突变破坏。二十多年来，人们已经知道从老年人身上分离的成纤维细胞比从年轻人身上提取的细胞存在更多的mtDNA 突变，但这种嵌合现象的程度才刚刚曝光。引入涵盖mtDNA的下一代测序表明，异质性 mtSNV 广泛存在多种组织中，包括衍生的原代成纤维细胞系。这种低水平异质性的背景包括种系遗传的 mtSNV 和体细胞变异的年龄依赖性积累的混合物，反映了 mtDNA 在整个生命过程中的持续复制（图1）。

细胞重编程影响线粒体DNA景观：细胞重编程过程中异质性水平的急剧变化类似于几个物种的生殖系统中发生的事件，其中线粒体DNA数量的限制导致统计抽样效应或“遗传瓶颈”，以及子细胞中不同比例的突变线粒体DNA。在细胞重编程过程中，类似的机制似乎是可行的，尽管目前尚不清楚这一过程是发生在细胞、细胞器还是线粒体DNA水平。纯随机遗传瓶颈机制加速了遗传漂变的速度，异质性水平以相同的概率增加或减少。然而，现在有证据表明，在细胞重编程过程中，线粒体基因组的不同部分存在着对变体的选择和对变体的选择，从而使异质性水平上升或下降。这些发现指向驱动低水平异质变异体选择的实际重编程过程，而不是IPSC本身的生物能量需求。线粒体DNA变异也出现在人类胚胎干细胞（ESC）系中，这表明该过程在多能干细胞中具有普遍性。一些iPSC细胞系含有在亲代细胞系中检测不到的线粒体DNA突变。这些变体的主要三核苷酸突变特征不同于先前描述的核基因组，也不同于mtDNA聚合酶-γ（POLG）引入的错误，这暗示了一种尚未发现的新机制。尽管存在于iPSC克隆中的许多MTSNV是沉默的或没有可检测的作用，但很大一部分影响细胞功能，导致参与细胞增殖、端粒维持和OXPHOS功能的基因表达差异。从头突变定义了单个iPSC克隆内的亚群，具有非凡的异质性水平，创造了迄今为止在亚克隆之间存在差异的“隐形”亚系（图2）。

对iPSCs应用的影响：mtDNA 突变在 iPSC 克隆中很普遍，如果分化过程中基因表达的变化驱动了特定 mtDNA 异质变异或变异亚类的选择，这应该系统地出现。检测这些模式可能需要非常大规模的研究，因为特定的突变可能表现不同，并且由于潜在的瓶颈效应叠加在主要变化上时，影响可能很微妙。先前已经从小鼠模型中了解到，纯化选择通过种系瓶颈发生，影响蛋白质编码基因或tRNA中不同的mtDNA变体。线粒体基因组的组织特异性优先选择也发生在不同线粒体DNA单倍型的异质性小鼠模型中，具有不同的组织依赖性方向性。有趣的是，背景mtDNA单倍型也可以影响小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）产生iPSC。这可能是由于在生物合成的“爆发”过程中产生过多的活性氧，因为在重新编程过程中添加N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以改善这种情况。根据这一解释，在iPSC产生过程中，可能存在强烈的选择倾向于一种单倍型，如果在重编程过程中添加NAC，这种影响将被消除。这些发现表明，随机和选择性机制可以协同运作，在iPSC重编程和分化过程中决定线粒体DNA异质性的命运。人类iPSCs衍生的类有机物为加深我们对组织分化过程中线粒体DNA异质性分离的理解提供了新的机会，并对线粒体DNA疾病的组织特异性产生了影响（图3）。

总而言之，线粒体DNA突变普遍存在于iPSC克隆中，可能产生功能性后果。了解线粒体DNA景观对于再生医学研究更为重要，因为临床结果可能取决于线粒体DNA的体细胞突变。对iPSC 进行 mtDNA 变异的常规筛查在未来的研究和应用中应该被重视。

教授介绍

Patrick F. Chinnery剑桥大学神经病学教授，其研究领域主要是研究线粒体 DNA 与人类疾病的关系以及线粒体遗传机制。研究涉及鉴定导致线粒体疾病的线粒体和核基因缺陷，剖析下游疾病机制，以及研究线粒体 DNA 遗传的分子和细胞基础。

参考文献

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