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人类心脏对能量具有持续且极高的需求，而这一需求主要通过线粒体氧化磷酸化来满足。这种依赖性使得线粒体DNA（mtDNA）的维持及完整性对于正常线粒体功能处于心脏健康的核心地位，因为已有研究表明，mtDNA不稳定性会导致线粒体功能障碍，最终损害心脏功能并引发心肌病（CM）和心力衰竭。然而，mtDNA不稳定性对心脏疾病的作用仍知之甚少。越来越多的核编码蛋白被发现是调控mtDNA维持、组织和分离所必需的关键因子。DNA拓扑异构酶3（TOP3A）具有两种亚型：一种为与细胞核相关的亚型，参与核基因组维持；另一种定位于线粒体，以维持mtDNA完整性。近期研究发现，携带TOP3A双等位基因功能缺失变异的个体表现出包括CM在内的、典型的线粒体功能障碍相关表型特征，这支持了线粒体基因组不稳定性与TOP3A相关心脏疾病之间可能存在机制性联系。 在本研究中，我们在TOP3A相关CM的背景下，考察了TOP3A缺失对mtDNA维持与稳定性的影响。我们采用同基因背景的野生型、TOP3A敲除和BLM敲除诱导多能干细胞（iPSC）生成心肌细胞（iPSC-CMs），并建立了一种高通量、超深度mtDNA测序策略，测序覆盖度约达500,000X，用于表征低频mtDNA突变模式。TOP3A缺失在心脏分化过程中触发了低频新生mtDNA单核苷酸变异的早期爆发，且这些变异在线粒体核糖体RNA基因内显著富集；与此同时，来源于共同同基因背景的低频遗传mtDNA变异的异质性水平逐渐升高。这些独特的mtDNA特征与成熟iPSC-CMs中mtDNA拷贝数扩增缺陷及线粒体呼吸受损相关。综上，我们的方法揭示了TOP3A缺失此前未被表征的一种后果，并确立了mtDNA维持受损与TOP3A相关CM中线粒体功能障碍之间的联系。
人类心脏对能量具有持续且极高的需求，这一需求主要通过线粒体氧化磷酸化来满足。对这一过程的依赖使得维持线粒体DNA（mtDNA）的稳定性与完整性、以保障线粒体正常功能，成为心脏健康的核心，因为已有研究表明，mtDNA不稳定可导致线粒体功能障碍，最终损害心脏功能并引发心肌病（CM）和心力衰竭。然而，mtDNA不稳定性对心脏疾病的贡献仍未得到充分理解。越来越多由核基因编码的蛋白被发现是mtDNA维持、组织及分离的关键调控因子。DNA拓扑异构酶3（TOP3A）表达为两种亚型：一种为与细胞核相关的亚型，参与核基因组维持；另一种定位于线粒体，以维持mtDNA完整性。近期研究发现，携带TOP3A双等位基因功能缺失变异的个体表现出包括CM在内的、典型与线粒体功能障碍相关的表型特征，这支持了线粒体基因组不稳定性与TOP3A相关心脏疾病之间可能存在机制性联系。
在本研究中，我们探讨了TOP3A缺陷在TOP3A相关CM背景下对mtDNA维持与稳定性的影响。我们采用同基因背景的野生型、TOP3A敲除和BLM敲除诱导多能干细胞（iPSCs）生成心肌细胞（iPSC-CMs），并建立了一种高通量、超深度mtDNA测序策略，测序覆盖度约达500,000×，以表征低频mtDNA突变模式。TOP3A缺失在心脏分化过程中触发了低频新生mtDNA单核苷酸变异的早期暴发，这些变异在线粒体核糖体RNA基因中呈现出显著富集，同时伴随着源自共同同基因背景的低频遗传mtDNA变异异质性的进行性增加。这些独特的mtDNA特征与成熟iPSC-CMs中mtDNA拷贝数扩增缺陷及线粒体呼吸受损相关。总体而言，我们的方法揭示了TOP3A缺陷此前未被表征的后果，并确立了受损的mtDNA维持与TOP3A相关CM中线粒体功能障碍之间的联系。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.18.745450v1?rss=1
🏷️ TOP3A 线粒体DNA 心肌细胞 单核苷酸变异 线粒体功能障碍 心肌病