單細(xì)胞譜系追蹤可記錄細(xì)胞分裂歷史，為解析發(fā)育生物學(xué)規(guī)律和疾病發(fā)生機(jī)制提供了關(guān)鍵性研究工具。當(dāng)前主流方法依賴基因編輯，通過對(duì)外源人工條形碼的定向編輯來標(biāo)記細(xì)胞譜系，但該方法不適用于臨床樣品。線粒體DNA因其高突變率和易檢測(cè)性，在人體譜系追蹤中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，受其多拷貝性和高度動(dòng)態(tài)性影響，線粒體譜系追蹤的準(zhǔn)確性和適用性尚存不確定性，需系統(tǒng)評(píng)估與方法優(yōu)化以提升其實(shí)用性。
北京時(shí)間3月26日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所胡政研究員團(tuán)隊(duì)、馬晴研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)徐錦教授團(tuán)隊(duì)在Genome Biology雜志在線發(fā)表了題為Clonal expansion dictates the efficacy of mitochondrial lineage tracing in single cells的研究論文。本研究結(jié)合計(jì)算仿真模型與單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)評(píng)估線粒體譜系追蹤技術(shù)在不同生物學(xué)情景下的適用性。結(jié)果表明，克隆擴(kuò)張強(qiáng)度顯著影響線粒體譜系追蹤效果，首次提出“譜系信息評(píng)分”（LIS），可量化線粒體DNA突變的譜系標(biāo)記準(zhǔn)確性，為線粒體譜系追蹤的實(shí)際應(yīng)用提供關(guān)鍵理論指導(dǎo)。
團(tuán)隊(duì)首先利用計(jì)算仿真框架模擬了不同克隆擴(kuò)張強(qiáng)度下線粒體DNA突變的動(dòng)態(tài)演化，發(fā)現(xiàn)胚系線粒體異質(zhì)性突變（germline mtDNA heteroplasmy）仍具克隆譜系標(biāo)記能力，尤其在強(qiáng)克隆擴(kuò)張環(huán)境（如腫瘤）中追蹤準(zhǔn)確性更高。同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)低頻線粒體突變可實(shí)現(xiàn)深度譜系樹的重構(gòu)，但受限于當(dāng)前單細(xì)胞測(cè)序的低覆蓋度，亟需開發(fā)高深度單細(xì)胞線粒體測(cè)序技術(shù)。為量化線粒體DNA突變的克隆標(biāo)記能力，團(tuán)隊(duì)首次提出“譜系信息評(píng)分”（LIS）指標(biāo)，顯著提升對(duì)有效譜系標(biāo)記的鑒定及對(duì)組織克隆結(jié)構(gòu)的解析能力。基于多模態(tài)單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了線粒體譜系追蹤在強(qiáng)克隆擴(kuò)增環(huán)境（如克隆性造血、免疫反應(yīng)等）中的優(yōu)越性，且高LIS值的突變表現(xiàn)出更高的譜系追蹤準(zhǔn)確性。
總之，本研究系統(tǒng)解析了線粒體DNA突變?cè)诩?xì)胞分裂過程中的動(dòng)態(tài)特征，量化其在不同生物學(xué)場(chǎng)景下的譜系追蹤能力，為線粒體譜系追蹤技術(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，并有望推進(jìn)基于臨床樣品的細(xì)胞命運(yùn)和克隆演化研究。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所助理研究員王鑫、廈門大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院博士研究生王琨、中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后張衛(wèi)星為該論文的共同第一作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院胡政研究員、馬晴研究員和中山大學(xué)徐錦教授為該論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
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系統(tǒng)評(píng)估線粒體譜系追蹤方法的準(zhǔn)確性和適用性，提出單細(xì)胞譜系追蹤的量化評(píng)分體系，為基于臨床樣品的細(xì)胞譜系研究提供理論指導(dǎo)
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