“女娲”基因组资源第九篇：徐涛/何顺民团队构建线粒体变异及核线粒体片段图谱

线粒体是细胞中提供主要能量的关键细胞器，通过哺乳动物细胞内的氧化磷酸化过程为生物体供能。由于缺乏DNA损伤修复机制、处于高氧化环境、复制频率高、母系遗传及无重组等特征，线粒体（mtDNA）具有较高的突变率。研究表明，细胞内正常与突变mtDNA比例的差异异质性（Heteroplasmy）可导致线粒体疾病表型的多样性。异质性水平可随年龄增加而累积，当其超过临界阈值时，可能引发相应的临床表型。mtDNA变异已被证实与多种复杂疾病相关，包括神经系统疾病、代谢性疾病及癌症等。

线粒体DNA片段（NuclearMitochondrial DNA Segments, NUMTs）指从细胞质转移入核基因组的mtDNA片段。随着不同真核生物全基因组测序数据的积累，越来越多不同大小和长度的NUMTs被发现。NUMTs的基因组分布模式并非随机，其插入位置的不同可能会破坏蛋白质编码基因。已报道的NUMTs与人类疾病的关联包括粘脂病IV型、帕利斯特-霍尔综合征、Usher综合征IC型、血浆因子VII缺乏症以及癌症。

线粒体参与多种生物学过程，包括细胞凋亡、寿命调节、胞质钙缓冲、固有免疫和细胞周期。像千人基因组计划1KGP和gnomAD这样的大规模mtDNA研究主要集中于欧洲人群，来自东亚人群，特别是中国人群的数据仍然有限。

近日，中国科学院生物物理研究所团队在《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》杂志发表了题为“Mitochondrial Genome Variants and Nuclear Mitochondrial DNA Segments in 7331 Individuals from NyuWa and 1KGP”的文章。该研究以“女娲”基因组资源为核心，整合千人基因组1KGP，对7331个个体的线粒体变异和核线粒体片段（NUMTs）进行分析。该研究共鉴定出7216个高质量的mtDNA变异，将其划分为22个宏单倍群；同时检测到1466个unique NUMTs，其中88个mtDNA变异和642个NUMTs为NyuWa特有。全基因组关联分析表明，有12个mtDNA变异与199个核基因组变异显著相关。该研究首次系统描绘了中国人群NUMTs的全景图，建立了迄今最全面的中国人群mtDNA变异与NUMTs资源，为线粒体相关疾病的遗传学研究提供了重要参考。

1. 7216个高质量mtDNA变异和1466个NUMTs

该研究基于7331份全基因组测序数据（NyuWa与1KGP队列），在质量控制后获得7266个用于mtDNA变异分析的样本和7324个用于NUMTs分析的样本。检测到约12万个非参考NUMTs事件，平均每人16.44个，整合后识别出1466个独立NUMTs（长度5–16,568 bp，平均881.7 bp），其中短插入（<500 bp）占89.15%。按群体频率划分，NUMTs以极罕见型为主（84.79%），仅少部分为常见或罕见型。

共检测到268,746个mtDNA变异，经去重后，共获得7216个高置信度mtDNA变异。大多数变异在NyuWa和1KPG人群中的频率较低（图1F）。在3,343个样本（46%）中检测到异质性变异（图1G），超过80%的样本携带一至两个异质性变异。变异分布分析显示，NyuWa和1KGP人群中分别有1409个（19.53%）为仅异质性变异，4639个（64.29%）为仅同质性变异（图1H）。异质性变异的群体频率普遍较低，而同质性变异的频率分布范围较广（图1I）。图1J展示了两个人群中所有mtDNA变异的整体分布，包括群体频率及变异密度。

图1 mtDNA变异和NUMTs的特征

2.NyuWa特有的mtDNA变异和NUMTs

通过对比NyuWa队列与其他数据库，系统分析了mtDNA变异与NUMTs的分布特征。新发现88个NyuWa特异性变异，多为低频单例（图2A，2F）。在6名个体中观察到的NyuWa特异性变异m.8273CCCCTCT>C的位置与m.8273_8281del重叠，后者据报道与中国母系遗传性原发性高血压（MIEH）相关。在NUMTs分析中，NyuWa共鉴定821个NUMTs，其中85.87%为超罕见变异，并识别出642个中国特有NUMTs（图2G-H）。

图2NyuWa人群线粒体DNA变异与其他资源的比较

3.12种mtDNA变异与nDNA变异显著相关

在3945个无亲缘样本的全基因组关联分析中，发现12个mtDNA变异与199个nDNA变异显著相关（FDR_BH < 0.05/93 = 5.4 ×10⁻⁴），其中9个位于蛋白编码基因且均为单倍群标记。m.4769A>G（位于MT-ND2基因）表现出最强关联信号（图3A），已被报道与抽动障碍（TDs）相关。与m.9950T>C显著相关的核变异rs76843687在东亚人中的发生频率高于欧洲人（图3B）。更严格阈值下(P=5.0 × 10^-8/93 = 5.4 × 10^-10)，确定8个mtDNA变异与59个nDNA变异之间存在显著关联。

图3 线粒体DNA变异m.4769A>G与核基因变异的关联，以及rs76843687和m.9950T>C的跨人群频率分析

4.NUMTs插入的特征

该研究查看了NUMTs断裂位点在mtDNA上主要富集区域，其中常见NUMTs断裂点多集中于mtDNA中部（图4B）。在核基因组中，NUMTs广泛分布于所有染色体（图4C），且不同类型NUMTs具有不同基因组偏好性；常见NUMTs倾向位于基因组重复区、简单重复序列及miRNA/snoRNA区域，而罕见NUMT则显著富集于LINEs元件（NyuWa队列中尤为显著，P = 0.004）（图4D）。

图4 NUMTs插入特征

中国科学院生物物理研究所徐涛院士、何顺民研究员为论文的共同通讯作者。生物物理研究所王园鑫和王佳佳为论文共同第一作者。何顺民研究团队的李燕燕、张鹏、王中龙、刘帅、牛仪伟、史忆戎、张斯佳、宋廷瑞等人也参与了该项研究工作。该研究得到了北京市自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院“十四五”信息化建设项目等经费的支持。

全文详见：

https://academic.oup.com/gpb/advance-article/doi/10.1093/gpbjnl/qzaf098/8315149?login=true