【Cell子刊】既能给细胞“充能”,又可“定制”细胞基因组,这种高通量线粒体转移装置让线粒体移植不再难!_无创轻柔正骨,月林堂

2021-01-05 作者 elbert

原标题:【Cell子刊】既能给细胞“充能”,又可“定制”细胞基因组,这种高通量线粒体转移装置让线粒体移植不再难!

导言:线粒体是真核细胞中重要的细胞器,是高等生命体赖以生存的能量来源。除了为细胞供能外,线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程,并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。线粒体异常可引起细胞甚至器官发生病变,越来越多的疾病被证实与线粒体功能障碍有关。

近日,加州大学洛杉矶分校(UCLA)琼森综合癌症中心的研究人员宣布,他们开发出了一种简单的高通量方法,可用于将线粒体及相关的线粒体DNA转移到哺乳动物细胞中。

这种方法使研究人员能够定制细胞的关键遗传成分,以研究并可能治疗使人衰弱的疾病,例如癌症,糖尿病和代谢紊乱。

该研究于12月29日发表于《细胞报告》杂志,题为“Pressure-Driven Mitochondrial Transfer Pipeline Generates Mammalian Cells of Desired Genetic Combinations and Fates” 。这篇文章描述了UCLA开发的装置MitoPunch如何将线粒体同时转移到10万个或更多的受体细胞中。

这是对现有线粒体转移技术的重大改进。该研究的目的是通过开发可改善人类细胞功能或更好地模拟人类线粒体疾病的受控操纵方法来了解线粒体DNA的突变。

研究人员写道:“利用所需的线粒体DNA(mtDNA)序列生成哺乳动物细胞,可以用于研究线粒体、疾病建模和潜在的再生疗法。而MitoPunch是一种高通量的线粒体转移装置,通过将小鼠或人类细胞中分离的线粒体转移到原代或永生的mtDNA缺陷(ρ0)细胞中,从而产生具有特定mtDNA-核DNA(nDNA)组合的细胞。”

在限制性培养基中分离的稳定的分离线粒体受体(SIMR)细胞永久保留供体mtDNA并可重新进行细胞呼吸。然而,尽管在限制性培养基中生长,SIMR成纤维细胞仍保持ρ0样细胞的代谢组和转录组。

研究人员将非永生SIMR成纤维细胞重编程为诱导性多能干细胞(iPSC),随后分化为多种功能细胞类型,包括间充质干细胞(MSC)、脂肪细胞、成骨细胞和软骨细胞。值得注意的是,经过重编程和分化后,SIMR成纤维细胞在分子和表型上类似于未经处理的对照成纤维细胞。

图解摘要

“因此,我们的MitoPunch’管道’能够生产具有独特mtDNA-nDNA组合的SIMR细胞,用于多种细胞类型的进一步研究和应用。”

MitoPunch是一种多功能的线粒体转移技术

该研究的第一作者,加州大学洛杉矶分校戴维·格芬医学院的Alexander Sercel说:“能产生具有所需线粒体DNA序列的细胞的能力,对于研究线粒体,以及细胞核中的基因组如何相互作用以调节细胞功能具有强大的功能,这对于理解和潜在治疗患者的疾病至关重要。”

SIMR成纤维细胞的生成

线粒体DNA的遗传或获得性突变会严重损害能量产生,并可能导致使人衰弱的疾病。目前,操纵线粒体DNA的技术落后于操纵细胞核中DNA的技术。而操纵线粒体DNA的技术有可能帮助科学家开发由这些突变引起的疾病模型和再生疗法。

SIMR iPSC产生具有三系分化潜能的间充质干细胞

但是,目前的方法有限且复杂,据加州大学洛杉矶分校的科学家称,目前大多数方法只能将具有所需线粒体DNA序列的线粒体运送到有限数量和种类的细胞中。而MitoPunch装置操作简单,可以从不同供体细胞类型分离的大量线粒体一致地转移到多种受体细胞类型,甚至对于非人类物种,包括从小鼠体内分离的细胞。

该研究的共同第一作者,加州大学洛杉矶分校博士后学者Alexander Patananan指出:“MitoPunch技术能脱颖而出是因为,它能够改造人类皮肤细胞等,使非转化、非恶性的细胞永生,从而产生独特的线粒体DNA-核基因组组合。这项进展使我们能够通过将这些细胞重编程为诱导性多能干细胞,然后分化为功能性脂肪、软骨和骨细胞,从而研究特定线粒体DNA序列对细胞功能的影响。”

SIMR和天然mtDNA细胞的转录组特征

MitoPunch建立在先前的技术和该团队于2016年开发的称为光热纳米刀片的设备的基础上。但与需要复杂的激光和光学系统才能运行的光热纳米刀片不同,MitoPunch的工作原理是利用压力推动分离的线粒体悬浮液通过一个覆盖着细胞的多孔膜。

研究人员提出,这种压力梯度可以在离散位置刺穿细胞膜,从而使线粒体直接进入受体细胞,然后修复细胞膜。

研究人员表示:“当我们首次创建光热纳米刀片时,我们就知道,还需要一个更高通量,更简单易用的系统,以更容易地组装和操作该系统。这种新设备非常有效,可以使研究人员以一种简单的方式研究线粒体基因组-将其从一个细胞交换到另一个细胞中-可用于揭示控制广泛细胞功能的基本生物学,并可能有一天,为治疗线粒体DNA疾病带来希望。”

参考资料:

【1】https://www.genengnews.com/news/high-throughput-mitochondria-transfer-device-developed/

【2】https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)31551-5?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2211124720315515%3Fshowall%3Dtrue

【3】http://www.pibb.ac.cn/html/2018/3/20170222.htm

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