线粒体，作为细胞内多功能的细胞器，对于维持细胞生命活动至关重要。在衰老的过程中，线粒体功能的衰退与多种生理变化紧密相关，包括氧化磷酸化活性的降低、线粒体酶水平的波动、线粒体DNA（mtDNA）突变的累积、活性氧物质（ROS）的增加，以及线粒体蛋白质平衡的失调。这些变化可能破坏线粒体与细胞核之间的正常通讯，引发与衰老相关的基因表达变异，进而可能导致衰老表型的出现或衰老相关疾病的发生。然而，目前大多数研究集中在群体细胞（bulk）水平，对于单个细胞内线粒体DNA变异的研究相对较少。
近日，北京华大生命科学研究院与大连妇幼保健院在Aging Cell期刊上发表了题为Single-cell mitochondrial sequencing reveals low-frequency mitochondrial mutations in naturally aging mice的研究论文。该论文提出了一种新的单细胞线粒体测序技术——C4_mtscATAC-seq。这项技术不仅能够在单细胞水平捕获染色体开放区域（scATAC），还能获取同一细胞的线粒体测序数据，对于探究单个细胞中线粒体的异质性及其与核基因信息交流具有重大意义。
DNBelab C4是一个专为单细胞处理设计的便携且成本效益高的微流控系统，之前已被用于开发单细胞转录组测序和ATAC测序的工作流程。在本研究中，作者们进一步优化了DNBelab C4的单细胞ATAC测序工作流程，用于单细胞线粒体测序（C4_mtscATAC-seq）。通过在HEK-293T细胞系上进行的两次生物学重复实验，验证了C4_mtscATAC-seq协议的有效性，成功捕获了线粒体DNA（约占总测序数据的68%）和开放染色质数据。接着，该技术被应用于年轻（2月龄）和老年（23月龄）小鼠的脾脏和骨髓组织。研究发现，年轻组织中的mtDNA含量较高，老年组织中的线粒体含量则更为多变，这与年轻组织中与线粒体复制和转录相关的核基因活性评分更高相一致。研究还检测到年轻脾脏、老年脾脏和骨髓中分别有22、15和21个mtDNA突变，大多数变异等位基因频率（VAF）低于1%。老年组织中观察到的mtDNA突变数量更多，VAF也更高。特别地，研究鉴定了三种在老年脾脏和骨髓中VAF最高的mtDNA变异（m.9821A>T、m.15219T>C和m.15984C>T）。通过比较具有这些mtDNA变异的细胞与没有这些变异的细胞，揭示了两群细胞不同的开放染色质状态，并识别与这些mtDNA变异相关的潜在基因，包括转录因子KLF15和NRF1。
综上所述，这项研究通过开发和应用C4_mtscATAC-seq技术，不仅增进了我们对衰老过程中线粒体异质性的理解，而且为未来相关领域的研究提供了新的工具和方法。
图1 展示了在老年小鼠的脾脏和骨髓中检测到的三种突变最高的线粒体DNA变异及对细胞核开放染色质状态影响。
该研究由北京华大生命科学研究院与大连妇幼保健院共同完成。北京华大生命科学研究院刘福䶮、孙晓琳、魏彩和大连妇幼保健院吉柳为论文的第一作者。北京华大生命科学研究院康靖民、刘心和大连妇幼保健院王大庆为该论文的通讯作者。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/acel.14242
