人们身体里几乎每个细胞都有自己的“发电站”（除了成熟的红细胞之外），这个“发电站”就是线粒体，源源不断地为细胞和机体提供能量。作为细胞器成员之一，线粒体独特性地拥有自己的基因组，即线粒体DNA，是“发电站”最核心的调控系统，从内部控制着“发电站”的正常运行。一旦线粒体DNA发生突变，会导致“发电站”供能出现问题，从而导致了临床上出现大量罹患线粒体疾病的患者。按照目前国际上公布的五千分之一的发病率来统计，中国人群中，至少有28万患者受线粒体DNA突变影响，产生各种临床表型的线粒体疾病。

线粒体DNA因其独特的母源遗传模式（只有妈妈能够遗传），显著区别于人们传统认识的细胞核DNA的双性遗传模式（爸爸妈妈各遗传一半）。作为承载着母系遗传的唯一传递媒介——卵细胞，丰富的胞质内含有几十万个拷贝的线粒体DNA，单从数量上就以压倒性优势胜过父亲的精子细胞：每个成熟精子只含有几个到几十个不等拷贝的线粒体DNA。

这一独特的母源遗传模式吸引了诸多科学家的常年关注，对其母系遗传过程规律的挖掘，能为理解参与其分子调控机制提供线索，并且为临床线粒体DNA突变患者提供更多生殖阻断的方法。尽管关注度高，但目前国际上对哺乳动物线粒体DNA母源遗传模式的研究非常匮乏，主要由于前期技术限制导致缺乏足够的体内动物模型以供研究。

近日，西湖大学蒋敏课题组在Nature Aging发表题为“Maternal age enhances purifying selection on pathogenic mutations in complex I genes of mammalian mtDNA”的研究论文，本文使用最新的线粒体基因组编辑工具DdCBEs，成功构建了两种与临床线粒体疾病病人致病位点同源的单点突变小鼠模型，均为呼吸链复合物I亚单位：m.2820 G>A（ND1）和m.12918 G>A（ND5）。通过对这两种小鼠模型的母源遗传模式的研究，发现了这两个突变位点在母系遗传过程中被强力纯化选择，即：高突变的妈妈能够生出远低于自身突变率的下一代。

此外，课题组首次发现并证明该纯化选择效应随着母亲年龄的增加而增强，这些突变的母鼠在达到一定周龄后，甚至能够生出完全不含有突变的下一代，形成了围绕该突变线粒体DNA的天然的生殖阻断。该发现提示了在呼吸链复合物I相关的突变mtDNA母系遗传过程中，母亲年龄的增加具有保护效应，而非传统观点认为的年纪大的母亲会遗传更多突变给下一代。课题组通过更进一步的机制研究发现，卵细胞成熟过程中蛋白质翻译水平的上调在上述有害突变的纯化选择过程中起到了关键作用。

这一发现大大拓宽了线粒体遗传学及生殖领域对母源遗传的理解，其年龄保护作用也是从线粒体DNA母源遗传被发现至今40多年的研究中首次报道，此外，该研究对临床线粒体病的生育咨询具有重要参考价值，特别是那些涉及呼吸链复合物I基因突变的患者。

文章截图：

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43587-024-00672-6

①建立ND1和ND5点突变小鼠模型

工欲善其事，必先利其器。研究线粒体DNA突变的母系遗传特征，首先要有合适的研究工具和模型。该研究利用了新的线粒体基因组编辑工具DdCBEs，选择了氧化磷酸化复合物中最大的复合物Complex I的亚单位作为切入点，建立同临床线粒体疾病病人同源位点的小鼠ND1和ND5的细胞系，并证实了这两个突变的致病性。接着通过合子编辑的方式，成功建立了ND1和ND5的单点突变小鼠模型。

②母亲年龄越大，传递给子代的突变比例越低

为了探究上述ND1和ND5点突变的母系遗传特征，将突变雌鼠与野生雄鼠进行连续交配，收集子代，测定突变率。结果显示，随着母亲年龄的升高，子代突变率呈现显著下降的趋势。

图2. 随着母亲年龄增加，逐渐加强的针对ND1

及ND5突变mtDNA母源遗传的纯化选择

③针对有害突变的纯化选择主要发生在母亲卵巢内，介于原始卵泡和窦状卵泡之间的卵细胞成熟阶段

为了界定有害突变的纯化选择发生在哪个阶段，研究人员人工在显微镜下分离出不同阶段的卵细胞，分别来自原始卵泡、窦状卵泡，以及成熟卵泡，并对分离得到的单个卵细胞进行线粒体DNA突变率的检测。结果显示，突变率的下降主要发生在原始卵泡的卵细胞之后，窦状卵泡卵细胞之前，说明针对有害突变的纯化选择主要发生在这两个阶段之间的卵细胞成熟阶段。

④蛋白翻译水平的提高在有害突变纯化选择的过程中扮演了重要角色

为了进一步分析参与调控卵细胞中有害mtDNA突变纯化选择的分子通路，研究人员利用空间转录组学分析了ND1突变小鼠的成熟过程中的卵细胞转录谱的变化，结果发现，涉及蛋白翻译的通路显著升高。进一步通过注射雷帕霉素抑制mTORC1通路以抑制蛋白翻译，能够有效阻断有害突变的纯化选择。说明蛋白翻译的增加确实参与了卵母细胞中针对有害突变的纯化选择作用。

图4. 空间转录组以及雷帕霉素处理对纯化选择的影响

综上所述，该研究利用小鼠模型系统分析了complex I相关线粒体DNA的突变的母系遗传规律，强调了母亲年龄在有害突变纯化选择过程中的关键作用，丰富和拓展了线粒体遗传的内容，对临床生育咨询也极具意义。

西湖大学特聘研究员蒋敏为本文通讯作者，副研究员茹彦飞、西湖大学博士研究生邓晓玲、陈嘉童和章乐平为本文的共同第一作者，中信湘雅生殖与遗传专科医院副研究员郭静提供了卵细胞平台的技术支持。南京医科大学沈彬教授在线粒体基因组编辑技术上提供了指导。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、西湖实验室和西湖教育基金会的资助；同时得到了西湖大学实验动物中心和生物医学实验技术中心的大力支持。

蒋敏课题组主要研究方向为：1）MtDNA的复制调控分子机制；2）MtDNA突变导致的线粒体疾病的分子机制研究；3）MtDNA在母系遗传过程中的筛选机制。欢迎有发育生物学，生物化学，生殖生物学等背景的研究者加盟！
电子邮箱：jiangmin@westlake.edu.cn