线粒体是存在于包括脑细胞在内的所有真核细胞中的细胞器，通过氧化磷酸化等一系列氧化还原反应提供细胞生理所需的ATP。它们的独特之处在于，它们需要表达在细胞核(1000个基因)和自己的多倍体基因组(人类的37个基因)中编码的基因来发挥作用。细胞器内线粒体基因组的突变与疾病有关，包括各种神经退行性疾病。据推测，症状的出现需要与线粒体功能达到阈值负荷能力下降相关的突变，因为野生型线粒体基因组可以补充功能的丧失。当野生型和突变的线粒体dna同时存在于同一线粒体、细胞或组织中时，这被称为异质性。由于单个线粒体的高度动态结构变化，如与另一个线粒体融合，或分裂成多个线粒体，单个线粒体内mtDNA的异质性状态是流动的。mtDNA在这些过程中被重新分配，并且可以在单个线粒体水平上改变异质性。

全细胞水平的异质性受新线粒体DNA合成、旧线粒体降解和随机子细胞线粒体遗传的影响，如果亲本细胞不是有丝分裂后的，并且仍然可以进行细胞分裂。目前尚不清楚来自单个细胞中单个线粒体的低频异质有害突变如何富集到与疾病相关的程度。为了在疾病出现之前识别低频突变，我们开发了一种从体外活脑细胞(小鼠或人类来源)中分离单个线粒体的方法，随后对其基因组中包含的突变进行扩增和测量。我们发现，从小鼠星形胶质细胞、小鼠神经元树突或人类细胞过程中分离的单个线粒体在线粒体基因组的不同位点存在异质性。总体而言，我们发现多倍体基因组的高水平变异等位基因(每个线粒体约4个多态性位点)。从小鼠细胞分离的多个线粒体中发现的高影响位点包括谷氨酰胺线粒体tRNA的反密码子干的第二个位置突变;编码细胞色素c氧化酶亚基III(氧化磷酸化系统的一个组成部分)的基因错义突变;编码NADH脱氢酶的第三个亚基的基因的起始密码子的第三个位置发生突变，NADH脱氢酶也是氧化磷酸化系统的一个组成部分。从神经外科患者体外培养的人脑细胞中分离出的线粒体显示，在控制复制和转录的mtDNA调控区域的第309位存在一致的异质性。我们的人工方法允许从单个细胞中分析多达10个线粒体，因此无法评估每个细胞的总突变负担以及这些突变如何分布在线粒体网络中。 With the future development of high throughput isolation of all of the mitochondrion from a single cell, the distribution of mutational load across the entire mitochondrial system and how this associates with cellular function can be assessed. Understanding of how these mutations propagate in the context of active mitochondrial structural dynamics may allow development of strategies to preferentially expand non-mutated sub-populations in an attempt to prevent or rescue a deleterious mutation-associated phenotype without the need for directed or targeted repair of the mutation.

杰奎琳·莫里斯¹，Junhyong金²，詹姆斯Eberwine^1
1美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院系统药理学与转化治疗学系
²美国宾夕法尼亚大学文理学院生物系

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