题目：Multimodal single-cell analysis of nonrandom heteroplasmy distribution in human retinal mitochondrial disease

主要作者： Nathaniel K Mullin, Andrew P Voigt

发表时间： 2023-07-24

DOI： https://doi.org/10.1172/jci.insight.165937

期刊：JCI Insight

文献类型： Journal Article

目的：线粒体基因组（mtDNA）中的高拷贝数变异可扰乱线粒体功能，导致严重的多系统疾病。患者中观察到的多种症状是由于不同细胞和组织中异常mtDNA分子的比例不同，即异质性。然而，组织内各细胞类型中的异质性分布及其对患者表型的影响仍未得到充分研究。本研究旨在利用单细胞RNA测序、线粒体单细胞ATAC测序和多模态单细胞测序，鉴定复杂组织中病理性mtDNA变异的非随机分布。

方法：对一名患有线粒体脑病、乳酸酸中毒和卒中样发作（MELAS）的患者和健康对照者的眼部细胞进行了转录组、染色质可及性状态和异质性分析。以视网膜作为复杂多谱系组织的模型，应用单细胞多组学技术，分析病理性m.3243A>G等位基因在不同细胞类型中的分布。

结果：发现病理性m.3243A>G等位基因的比例在不同细胞类型中既不均匀也非随机分布。所有源自神经外胚层的神经细胞均表现出高比例的突变等位基因。然而，部分源自中胚层的细胞系，特别是脉络膜的血管结构，接近于纯合的野生型等位基因。高、低m.3243A>G比例细胞类型的基因表达和染色质可及性分析表明，mTOR信号通路在细胞对异质性的响应中起作用。进一步通过视网膜色素上皮细胞的多模态单细胞测序发现，高比例的病理性mtDNA变异与转录和形态学异常的细胞相关。

结论：这些发现显示了人类线粒体疾病中线粒体变异分配的非随机性，强调了其对线粒体疾病发病机制和治疗的影响。

1. 综合分析方法：采用单细胞RNA测序、线粒体单细胞ATAC测序和多模态单细胞测序，对MELAS患者和健康对照者的眼部细胞进行了全面的转录组、染色质可及性和异质性分析。

2. 异质性分布不均：发现病理性m.3243A>G等位基因在不同细胞类型中分布不均匀。源自神经外胚层的神经细胞中，突变等位基因的比例较高；而源自中胚层的细胞，特别是脉络膜的血管内皮细胞，几乎完全为野生型等位基因。

3. mTOR信号通路的作用：基因表达和染色质可及性分析显示，mTOR信号通路在细胞对异质性的响应中发挥重要作用。这一发现为理解细胞如何应对线粒体DNA变异提供了新的视角。

4.视网膜色素上皮细胞的异常：在视网膜色素上皮细胞中，高比例的病理性mtDNA变异与细胞的转录和形态学异常有关，提示这些细胞在疾病进展中可能发挥关键作用。