Tehnologija sekvenciranja jednoćelijskog genoma jednog mitohondrija visoke propusnosti poznata kao iMiGsek pružila je nove uvide u mutacije mitohondrijske DNK (mtDNK) i nudi platformu za procenu strategija za uređivanje mtDNK i genetsku dijagnozu embriona pre njihove implantacije.
Međunarodni tim istraživača, predvođen biologom matičnih ćelija KAUST Mo Lijem, sada je kvantitativno prikazao genetske mape mtDNK u pojedinačnim ljudskim oocitima (nezrela jajašca) i blastoidima (sintetički embrioni zasnovani na matičnim ćelijama). Ovo je otkrilo molekularne karakteristike retkih mutacija mtDNK koje izazivaju bolesti nasleđene od majke.
Mitohondrije igraju ključnu ulogu u ćelijskoj komunikaciji i metabolizmu. Ljudska mtDNK je kružni genom koji sadrži 37 gena, koji kodiraju 13 proteina i nekodirajući region D-petlje. Heteroplazmatske mutacije, nasleđene iz jajnih ćelija, mogu izazvati urođene bolesti, poput Lijevog sindroma nasleđenog od majke, i povezane su sa kasnim nastankom kompleksnih bolesti.
„Sekvenciranje sledeće generacije je korišćeno za sekvenciranje mtDNK i impliciranih heteroplazmatskih mutacija kao značajnog doprinosa metaboličkim bolestima. Ipak, razumevanje mutacija mtDNK ostaje ograničeno zbog ograničenja tradicionalnih tehnologija sekvenciranja“, kaže glavni autor Chongvei Bi.
„Naša nova metoda iMiGsek je značajna jer omogućava kompletno sekvencioniranje pojedinačnih mtDNK u pojedinačnim ćelijama, omogućavajući nepristrasnu analizu bazne rezolucije velike propusnosti mtDNK pune dužine“, kaže Bi. iMiGsek rešava nekoliko ključnih pitanja na terenu.
Koristeći tehnologiju sekvenciranja nanopora treće generacije, istraživači su okarakterisali heteroplazmiju mtDNK u pojedinačnim ćelijama i opisali genetske karakteristike mtDNK u pojedinačnim oocitima. Oni su ispitali mtDNK u indukovanim pluripotentnim matičnim ćelijama dobijenim od pacijenata sa Leighovim sindromom ili neuropatijom, ataksijom ili pigmentozom retinitisa (NARP). Ovo je otkrilo složene obrasce patogenih mutacija mtDNK, uključujući varijante pojedinačnih nukleotida i velike strukturne varijante. „Uspeli smo da otkrijemo retke mutacije sa frekvencijama daleko ispod tradicionalnog praga detekcije od 1%“, kaže Mo Li.
U drugom eksperimentu koji koristi novu tehnologiju, iMiGsek je otkrio potencijalne rizike od neočekivanog velikog povećanja učestalosti mutacija van cilja, poznatih kao heteroplazmija, u metodi za uređivanje mitohondrijalnog genoma nazvanom mitoTALEN — alat za uređivanje genoma koji seče specifičnu sekvencu u mitohondrijskom DNK. Koristi se za presecanje mutacije koja izaziva mitohondrijalnu encefalomiopatiju i sindrom epizoda sličnih moždanom udaru u pluripotentnim matičnim ćelijama izazvanim pacijentima.
Obe studije su objavljene u Nucleic Acid Research.
„Ovo naglašava prednosti analize haplotipa mtDNK pune dužine za razumevanje promene heteroplazme mitohondrijalne DNK; druge udaljene genetske varijante mtDNK mogu biti nenamerno pogođene uređivanjem genetski povezane mutacije relevantne za bolest i postoji potreba za ultrasenzitivnim metodama za procenu sigurnost strategija uređivanja“, kaže Li.
Istraživači su takođe koristili iMiGsek za analizu pojedinačnih ljudskih oocita od zdravih donatora i pojedinačnih ljudskih blastoida, sintetičkih embriona napravljenih od matičnih ćelija, da identifikuju retke mutacije koje se ne mogu detektovati konvencionalnim sekvenciranjem sledeće generacije. Ove heteroplazmatske mutacije niskog nivoa, potencijalno nasleđene preko ženske zametne linije, povezane su sa mitohondrijalnim bolestima i rakom.
Metoda iMiGsek pruža nova sredstva za precizan prikaz kompletnih haplotipova pojedinačnih mtDNK u pojedinačnim ćelijama, nudeći idealnu platformu za objašnjenje uzroka bolesti povezanih sa mitohondrijalnim mutacijama, procenu bezbednosti različitih strategija za uređivanje mtDNK i otkrivanje veza između mutacija mtDNK , starenje i razvoj složenih bolesti.
