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艺高人胆大!相当“嚣张的测序技术——单细胞器测序


线粒体疾病如何诊断和治疗?宾夕法尼亚大学医学院James Eberwine领导的研究小组刚开发了一种适用于单个线粒体的分离和测序技术“单线粒体测序(single-mitochondrion sequencing)”利用这种新方法他们检测到了在此之前很难查探到的线粒体DNA(mtDNA)变异。

线粒体功能不正常会导致线粒体疾病,mtDNA突变是很多线粒体疾病的导火线,突变累积到一定程度,这些细胞“发电站”就会瘫痪,局部细胞也跟着“停电”而无法正常运转。

人类细胞包含成千上万个线粒体细胞器,单个线粒体内一般有几套基因组拷贝,每套线粒体基因组包含37个基因,主要编码呼吸链和能量代谢相关蛋白,常见的mtDNA突变或缺失疾病症状包括生长缓慢、发育迟缓、内分泌紊乱、肌无力、脑萎缩等。

患有线粒体疾病的孩子可能很难集中精力,经常感到疲惫或昏昏欲睡,这些到了某一阶段才愈演愈烈的症状在最开始往往不受家长重视。这是因为每个细胞含有多重mtDNA拷贝,只有突变型达到某一阈值患者才会出现症状。

由于mtDNA突变会随年龄增长,因此不同年龄段的mtDNA突变情况可能大不一样。通过分离单个活线粒体获得DNA比较分析图谱,可改善神经系统疾病诊断现状,帮助医生找到发生病变的细胞或提早预知患者某些特殊症状。

最近,Eberwine课题组在《Cell Reports》发表文章,详细报道了同种细胞内部mtDNA的异同,以及像脑内神经元和星形胶质细胞这些不同类型细胞的mtDNA的异同。不仅如此,他们还评估了mtDNA的突变率,人鼠差异等其他指标。

完善的mtDNA指标差异指纹将有助于更好地了解实际上起源于单个线粒体突变积累的许多疾病,并且还能预测患者对某种治疗的特殊反应,从而指导临床决策。

本文还总结了一种名为“线粒体突变动力学(mitochondrial mutational dynamics)”的新概念。“我们鉴定发现了单个线粒体之间的大量异质性,在小鼠细胞系发现了3个高可信度的跨细胞多线粒体变体,在人细胞系中发现了1个,”文章作者写到。“单核苷酸多态(SNV)位点分布显示这些变体可跨世代遗传。人和小鼠两个物种的变异比较揭示了物种间明显不同的体细胞隔离模式。”

人和小鼠mtDNA突变累积速率不同,Eberwine博士指出,对线粒体疾病研究来说,人类实验可能无法重现小鼠实验中的部分情节。

“实现独立解析单个线粒体和比较线粒体间动态突变,能帮助我们更准确地评估线粒体突变相关疾病的风险,”Eberwine博士说。

未来,Eberwine实验室可能还将绘制其他细胞类型的mtDNA突变数量和位置路线图。

原文检索:
Pervasive Within-Mitochondrion Single-Nucleotide Variant Heteroplasmy as Revealed by Single-Mitochondrion Sequencing

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