日期：
2023-03-07 16:22:43
来源：BioArt收集 编辑：咸姐
撰文 | 咸姐
线粒体是有氧条件下的主要细胞能量来源，通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生的ATP是所有活性细胞过程所必需的，其重要性不言而喻。构成线粒体蛋白质组的~1100个蛋白质大多由双亲遗传的核基因组编码，但13个必需的呼吸链蛋白由16.5kb的母系遗传的线粒体基因组 (mtDNA) 的多个拷贝编码。mtDNA还编码24 rRNA和tRNA，它们与核编码的基因表达系统配合进行线粒体内蛋白质合成，呼吸链在线粒体内膜上的组装也需要许多核编码的组装因子参与，因此核基因组和线粒体基因组之间的协调和密切合作对于有氧ATP的产生和细胞生存能力也是至关重要【1,2】 。线粒体内翻译缺陷是罕见遗传性线粒体疾病的最常见原因，影响约1/8000的人，尽管这些疾病具有共同的OXPHOS生化缺陷，但存在相当大的临床异质性。在影响mtDNA编码的tRNA基因的密切相关突变的患者中可以看到显著不同的表型，但其原因尚不清楚。这种罕见遗传性线粒体疾病中器官参与模式的一种解释是在不同细胞类型中发现的线粒体的不同特性【3,4】 ，但这种情况何时以及如何发生尚不清楚。 2023年2月23日，来自英国剑桥大学的Patrick F. Chinnery 团队在Cell Cell lineage-specific mitochondrial resilience during mammalian organogenesis 揭示了小鼠早期发育过程中谱系特异性基因表达谱，为哺乳动物健康和疾病中线粒体功能的器官特异性差异提供了新的见解。 虽然我们知道出生时不同器官的线粒体功能不同，但却不知道这种情况是什么时候出现的。因此，本文研究人员首先对小鼠胚胎期8.5天（E8.5）的胚胎进行单细胞转录组分析，以明确在胚胎发生过程中建立器官特异性细胞谱系时这种差异是否明显。结果显示，在几个已确定的组织谱系中，mtDNA编码转录本的总体丰度存在显著差异，而且还存在核编码线粒体转录本的异质表达模式。细胞核在早期胚胎发育中已经以组织特异性的方式调节线粒体转录本，抢占器官成熟，而不是针对已建立的器官生理功能表达特定基因。 那么谱系特异性的核转录特征是独立于线粒体建立的，还是直接受mtDNA基因表达的影响呢？为此，研究人员研究了体内线粒体tRNAAla 基因（mt-Ta）中两个不同点突变（m.5024C>T突变和m.5019A>G突变）的核转录反应，这两个点突变会破坏线粒体内翻译和OXPHOS。研究人员首先从m.5024C>T和m.5019A>G母鼠体内获得具有高异质性水平的E8.5胚胎，通过单细胞Pseudobulk分析显示，m.5024C>T和m.5019A>G胚胎中参与多种细胞内途径的基因调节失调（包括两种小鼠中核编码线粒体基因的表达变化），与野生型（WT）胚胎相比，包括tRNA氨基酰化、电子传递链和ATP合成相关转录本的下调，与已知的线粒体内翻译缺陷保持一致。与此同时，研究人员发现，尽管在携带m.5024C>T21 和m.5019A>G突变的成年小鼠中观察到OXPHOS缺陷缺陷，但E8.5时每个细胞谱系中的细胞数量只存在微小差异，定义每个谱系的基因表达谱没有差异，器官发生期间也没有明显的发育异常。那么，观察到的转录变化是如何介导有效的代偿反应的呢？使用特定OXPHOS复合物的单分子抑制剂进行的全基因组体外CRISPR筛选确定了192个不同的遗传修饰因子，包括38个合成致病/致死的敲除因子，91个作为毒素上位性缓冲因子，63个抑制特定呼吸链毒素的毒性作用 。研究人员从这192个基因修饰物列表中鉴定出178个小鼠同源物，其中61个在m.5024C>T小鼠的至少一个细胞谱系中存在失调，38个在m.5019A>G小鼠的至少一个细胞谱系中失调，21个在两者中同时失调。进一步地分析证实了这些候选基因修饰因子的重要性，表明它们在体内胚胎发育和器官发生过程中具有生物学相关性。综合体外数据表明，在m.5024C>T和m.5019A>G胚胎中，这些遗传修饰因子的差异调节可能反映了一种正向补偿，而不是对 mtDNA 编码亚基合成减少的被动反应。 Pseudobulk 分析还揭示了线粒体基因在整个胚胎水平和来自特定谱系的合并细胞中的突变特异性差异表达。相应的WikiPathway分析显示，在两种突变株中，参与 mRNA 加工、核糖体通路和跨越众多细胞谱系的多能性网络的基因转录存在差异，仅在一个或几个谱系中存在多个额外通路的差异调控。使用GO Biological Processes进行的类似分析产生了类似的结果，突出了胚胎范围和谱系特异性转录变化对线粒体突变作出反应的重要性。接下来，研究人员利用小鼠模型来研究全基因组CRISPR筛选中鉴定的基因修饰因子的突变特异性和谱系特异性表达模式。与WT胚胎相比，两个突变系中下调的基因都富集了上位性缓冲/抑制基因，但与m.5019A>G相比，m.5024C>T胚胎中上位性缓冲/抑制基因的代偿性下调更强，这也就解释了m.5019A>G小鼠的平均产仔数为5只，而m.5024C>T和 WT小鼠为6只。此外，不同细胞类型的个体上位缓冲/抑制因子的比例表达揭示了大多数基因的谱系特异性表达模式，转录代偿反应的突变和谱系特异性差异很可能有助于器官特异性表型。最后，研究人员期望找到涉及编码相同OXPHOS复合物的转录本的协调反应的证据。结果显示，在WT小鼠中，转录本的共表达在更高级的组织谱系中最为明显，尤其是心脏和神经嵴；在某些细胞类型中，突变小鼠中核转录本之间的共表达程度更强，但这伴随着核编码和mtDNA编码转录本之间较弱的相关性，意味着核-mtDNA通讯的破坏，这在m.5019A>G小鼠中最为明显。 为了确定负责代偿反应的上游机制，研究人员随后进行了顺式调控分析，使用单细胞调控网络推断和聚类 (SCENIC) 从整个数据集中获得基因“调节子”，并研究了它们在m.5019A>G、m.5024C>T和WT E8.5小鼠的17个细胞谱系中的表达。每种细胞类型中调节子活性的相对比例揭示了在多个细胞谱系中具有突变特异性活性模式的一些调节子，以及许多调节子的谱系特异性激活，通常与参与该组织类型发育的基因相关联。进一步实验结果证实谱系特异性转录反应通过由特定转录因子控制的协调基因网络来响应线粒体功能障碍。 综上所述，本文研究结果显示，仅E8.5小鼠胚胎中就存在细胞谱系特异性转录谱，包括器官发生完成前存在的器官特异性线粒体蛋白亚型。 破坏线粒体内蛋白质合成下调了已知在体外敲除时缓冲线粒体毒素作用的核基因，从而在体内发育过程中维持细胞谱系活力。单细胞转录组分析确定的谱系和 mtDNA 突变特异性机制，在早期胚胎的关键发育阶段补偿线粒体功能障碍，包括已知调节基因网络的转录因子。所有这些发现都表明，早在器官成熟之前，核-线粒体串扰就在哺乳动物的早期发育中建立起来了，这提供了对线粒体损伤的适应性，并可能导致器官特异性脆性，有助于表征线粒体机制发挥作用的罕见遗传性线粒体疾病和常见人类疾病，为器官定向治疗提供潜在靶点。 原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.034
制版人：十一
1. Pagliarini, D.J., Calvo, S.E., Chang, B., et al. (2008). A mitochondrial protein compendium elucidates complex I disease biology. Cell 2. Stewart, J.B., and Chinnery, P.F. (2015). The dynamics of mitochondrial DNA heteroplasmy: implications for human health and disease. Nat. Rev. Genet. 3. Gorman, G.S., Chinnery, P.F., DiMauro, S., et al. (2016). Mitochondrial diseases. Nat. Rev. Dis. Primers 4. Rossignol, R., Malgat, M., Mazat, J.P., and Letellier, T. (1999). Threshold effect and tissue specificity. Implication for mitochondrial cytopathies. J. Biol. Chem. 【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。