阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）干细胞生物学家Mo Li领导的一个国际研究小组现在已经定量描绘了单个人类卵细胞（未成熟的卵子）和blastoids（基于干细胞的合成胚胎）中mtDNA的遗传图谱。这揭示了导致母系遗传疾病的罕见mtDNA突变的分子特征。
一个类似于人类囊胚的合成胚胎，称为囊胚，显示了胚胎外细胞的包围层、类似于囊腔的腔体、上胚层细胞（绿色，产生未来的胚胎）和下胚层细胞（红色，产生未来的羊膜）的存在。iMiGSeq被用来对单个囊胚的mtDNA进行测序，以模拟人类胚胎发育期间mtDNA突变的动态。资料来源：© 2023 KAUST; Mo Li
线粒体是细胞的"动力室"，在细胞通讯和新陈代谢中发挥着关键作用。人类的mtDNA是一个圆形基因组，包含37个基因，编码13种蛋白质和一个非编码的D环区。从卵细胞中遗传的异质性突变可导致先天性疾病，如母系遗传的利氏综合征，并与晚期发病的复杂疾病有关。
"下一代测序已被用于对mtDNA进行测序，并暗示异质体突变是代谢性疾病的重要促成因素。然而，由于传统测序技术的限制，对mtDNA突变的理解仍然有限，"领衔作者毕崇伟说。
毕说："我们新的iMiGseq方法意义重大，因为它能够对单细胞中的单个mtDNA进行完整的测序，允许对全长mtDNA进行无偏见、高通量的碱基分辨率分析。"
利用第三代纳米孔测序技术，研究人员已经确定了单细胞中mtDNA异质性的特征，并描述了单个卵母细胞中mtDNA的遗传特征。他们检查了从利氏综合症或神经病变、共济失调或色素性视网膜炎（NARP）患者中提取的诱导多能干细胞的mtDNA。这揭示了复杂的致病性mtDNA突变模式，包括单核苷酸变异和大型结构变异。"Mo Li说："我们能够检测到频率远远低于传统检测阈值1%的罕见突变。
在另一项使用新技术的实验中，iMiGseq揭示了在一种名为mitoTALEN的线粒体基因组编辑方法中，非目标突变（称为异质性）频率意外大幅增加的潜在风险--这种基因组编辑工具可以切割线粒体DNA中的特定序列。它被用来切割导致患者衍生的诱导多能干细胞中线粒体脑肌病和中风样发作综合症的突变。
"这突出了全长mtDNA单倍型分析在了解线粒体DNA异质性变化方面的优势；其他遥远的mtDNA遗传变体可能无意中受到与遗传相关的疾病突变的编辑影响，需要有超灵敏的方法来评估编辑策略的安全性，"Li说。
研究人员还使用iMiGseq分析来自健康捐赠者的单个人类卵母细胞和单个人类blastoids（由干细胞制成的合成胚胎），以确定常规下一代测序无法检测到的罕见突变。这些低水平的异质体突变可能通过女性生殖系统遗传，与线粒体疾病和癌症有关。
iMiGseq方法提供了一种新的手段来准确描绘单个细胞中mtDNA的完整单倍型，为解释线粒体突变相关疾病的原因、评估各种mtDNA编辑策略的安全性以及解开mtDNA突变、衰老和复杂疾病发展之间的联系提供了一个理想的平台。