中国农业大学营养与健康系生物医学团队开发新平台scMPCDS-解析单细胞线粒体表型与基因型新利器

近日，中国农业大学营养与健康系生物医学团队与合作者在国际知名期刊PNAS上发表研究论文Single-cell profiling of mitochondrial phenotyping-coupled mtDNA genotyping。该研究成功开发了人的单细胞线粒体表型耦合 mtDNA 测序平台 scMPCDS，能够在单细胞水平同步解析 mtDNA 突变/异质性与线粒体功能状态，并揭示基因型变化与表型之间的关联。利用该平台，研究不仅发现了mtDNA编辑引起的细胞特异性脱靶突变，还鉴定出具有不同mtDNA突变负担和生物能量谱改变的肿瘤亚群。

线粒体 DNA 突变及其异质性与线粒体疾病、肿瘤进化和基因编辑安全性密切相关，但传统批量测序往往掩盖单细胞间的突变差异，而现有单细胞技术也难以同时解析 mtDNA 变异及其功能后果。为突破这一技术瓶颈，研究团队建立了单细胞线粒体表型耦合 mtDNA 测序平台 scMPCDS，该平台将全长 mtDNA 突变/异质性检测与线粒体膜电位、ROS 等功能表型分析整合于同一细胞水平，从而实现了对线粒体基因型-表型关系的同步解析。该技术为揭示线粒体异质性驱动的疾病机制、识别功能异常细胞亚群以及评估 mtDNA 编辑潜在风险提供了全新的研究工具。

scMPCDS 是一种将单细胞线粒体功能表型检测与全长 mtDNA 测序相结合的技术平台。具体流程为：对单细胞进行线粒体功能指标染色，并通过流式细胞术对荧光信号进行定量检测和分选，进而获得携带明确线粒体表型信息的单个细胞；随后进行线粒体 DNA 扩增和测序文库构建，最终实现对每个细胞全长 mtDNA 突变和异质性的检测。

在建库策略上，scMPCDS 采用经优化的多重 PCR 扩增体系。研究团队针对线粒体基因组设计并优化了123对引物，用于覆盖全长 mtDNA。为降低核基因组中线粒体来源序列片段及线粒体假基因带来的非特异性扩增干扰，该方法首先对单个细胞中的 mtDNA 进行长片段预扩增，再以获得的 mtDNA 片段作为模板开展多重 PCR 建库，由此显著提高了测序结果对线粒体基因组的特异性、覆盖度和准确性。基于这一流程，scMPCDS 能够在单细胞层面获取异质性≥1%的高质量的 mtDNA 突变谱，并对不同等位基因频率的异质性突变进行定量分析。

scMPCDS 平台流程和应用场景

与传统方法相比，scMPCDS 的关键优势在于，它能够在同一个单细胞分析流程中实现线粒体功能表型与 mtDNA 变异的直接关联。通过先获取每个细胞的 ROS、线粒体膜电位等功能状态，再对同一细胞进行 mtDNA 建库和测序，该技术可直接追踪特定线粒体表型背后的 mtDNA 突变特征，并进一步分析突变负荷、异质性水平与线粒体功能异常之间的关系。因此，scMPCDS 不仅为解析线粒体基因型-表型耦合关系、识别功能异常细胞亚群提供了新的单细胞技术手段，还有望应用于“线粒体心血管疾病”（本团队提出的新概念，发表在European Heart Journal, 2024, doi: 10.1093/eurheartj/ehad534; Journal of Advanced Research, 2026, doi: 10.1016/j.jare.2025.07.021, 高被引）研究，帮助揭示心肌细胞、血管内皮细胞等关键细胞类型中线粒体异质性与能量代谢异常、氧化应激和疾病进展之间的关联。

中国农业大学罗俊杰副教授、罗永挺教授、张力圩副教授，中国人民解放军总医院第三医学中心王贵生主任、中国医学科学院阜外医院黄源教授为论文共同通讯作者，中国农业大学博士研究生张正阳、张力圩副教授、安鹏副教授为论文的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。