mtDIVE 平台用随机 mtDNA 诱变解析代谢与谱系背景下的基因型-表型关联
Random mtDNA mutagenesis maps genotype-phenotype associations across metabolic contexts and lineages
研究团队开发了 mtDIVE 平台，通过随机 C→T 诱变在人上皮细胞和斑马鱼胚胎中进行 mtDNA 池化正向遗传学筛选，结合单细胞转录组与 mtDNA 基因型联合分析。
线粒体DNA（mtDNA）突变既可导致母系遗传的氧化磷酸化缺陷类疾病，也随年龄在体细胞中累积，并在肿瘤中反复出现，但对其具体后果的认识长期滞后[1]。在小鼠中表达校读功能缺陷的线粒体聚合酶γ的"mutator小鼠"会以近似线性的速率累积体细胞mtDNA点突变，伴随早衰表型与寿命缩短，且这一表型并不依赖ROS产生的增加[2]。耐力运动或肌肉中PGC-1α过表达驱动的线粒体生物发生均可改善mutator小鼠的多系统病变，却并不减少甚至略增突变负荷[3][6]；超深度测序和双链测序则进一步刻画了突变负荷的量化与分布特征[4][5]。这些工作大多以总突变负担为观测对象，而现有模型一次只能检测一个工程化等位基因，难以系统地把基因型与表型对应起来。
这项研究开发了mtDIVE——一个随机C→T诱变平台，可在人上皮细胞和斑马鱼胚胎中开展池化的线粒体正向遗传学筛选。mtDIVE能产生从单个碱基替换到每个分子超过100个突变的连续基因型谱，导致呼吸功能受损，并引起谱系特异的发育迟滞。将单细胞转录组测序与mtDNA基因分型耦合后，作者发现突变基因组所受的选择及其转录后果取决于代谢状态与发育谱系：在必须依赖氧化磷酸化的条件下，高突变细胞经由凋亡被清除；而在糖酵解条件下，高突变细胞则通过竞争性排挤被移除。更重要的是，单个位点的效应虽温和却不可互相替代，其对细胞状态的预测力超出了总突变负荷，而癌症中反复出现的变异富集于与线粒体转录降低相关联的突变之中。
相对于此前以总体突变负荷为中心的动物模型研究[2][4]，这项工作的推进在于把mtDNA基因型与细胞表型在规模上连接起来，并能区分"突变身份"的后果与"突变数量"的后果，这正回应了既往干预实验中"表型改善与突变负荷脱钩"所暗示的问题[3][6]。
当然，mtDIVE基于C→T这一种诱变模式，结论目前限于人上皮细胞与斑马鱼胚胎体系；糖酵解条件下竞争性排挤的具体机制、癌症复发变异与转录抑制之间的因果方向，仍有待后续工作厘清。
- 1.Human mitochondrial DNA: roles of inherited and somatic mutations · Nat Rev Genet 2012
- 2.Somatic mtDNA mutations cause aging phenotypes without affecting reactive oxygen species production · Proc Natl Acad Sci U S A 2005
- 3.Endurance exercise rescues progeroid aging and induces systemic mitochondrial rejuvenation in mtDNA mutator mice · Proc Natl Acad Sci U S A 2011
- 4.Ultra-deep sequencing of mouse mitochondrial DNA: mutational patterns and their origins · PLoS Genet 2011
- 5.Age-related accumulation of de novo mitochondrial mutations in mammalian oocytes and somatic tissues · PLoS Biol 2020
- 6.Increased mitochondrial biogenesis in muscle improves aging phenotypes in the mtDNA mutator mouse · Hum Mol Genet 2012
mtDIVE 把随机 C→T 诱变与单细胞基因型-表型关联耦联，可在同一细胞池里拆分单个位点和整体突变负荷各自对表型的贡献。
来源：bioRxiv Genomics · biorxiv.org