過去，我們一直認(rèn)為線粒體DNA（mtDNA，線粒體工作的“說明書”）突變累積導(dǎo)致的能量生成障礙，是造成衰老的核心因素

與細(xì)胞核中的DNA相比，mtDNA更容易積累突變（約為核DNA的5-10倍[1,2]）。這主要是由于mtDNA復(fù)制不受細(xì)胞周期的限制，不管細(xì)胞是不是在分裂，mtDNA都在進行“勤快”地復(fù)制，這種高頻率復(fù)制就容易出錯，而它又缺乏細(xì)胞核DNA那樣復(fù)雜的修復(fù)系統(tǒng)[3]。

然而最近，日本學(xué)者在國際期刊《Aging Cell》上發(fā)表研究表示：事情并沒有那么簡單！mtDNA突變的累積，可能并不是導(dǎo)致線粒體功能障礙和衰老的主要驅(qū)動因素。藏在細(xì)胞核中的polg基因，在某些情況下，對線粒體功能的影響可能更為直接和關(guān)鍵[4]！且聽派派細(xì)細(xì)道來。

在正式介紹研究前，還是一樣，先來了解一些基本的概念。

mtDNA突變，想必大家聽過，指的是線粒體DNA分子中堿基的排列順序發(fā)生了改變。堿基們原本按照特定的順序排列，形成基因（即DNA分子上具有遺傳效應(yīng)的特定片段），基因再編碼蛋白質(zhì)或調(diào)控線粒體的功能。

圖注：DNA分子呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩條鏈通過四種堿基之間的氫鍵連接

線粒體DNA堿基排列順序的改變（即mtDNA突變）常包括以下幾種類型，我們把這些突變發(fā)生的總比例稱為突變頻率。按慣常道理，mtDNA突變的積累，應(yīng)該是線粒體功能失常和衰老的主要原因！

圖注：mtDNA突變的類型

而polg基因則是一種存在于細(xì)胞核DNA內(nèi)負(fù)責(zé)生成DNA聚合酶γ（即Polg蛋白）的基因。Polg基因生成的Polg蛋白通常會被運輸?shù)骄€粒體中發(fā)揮作用。在線粒體內(nèi)，Polg蛋白是唯一負(fù)責(zé)復(fù)制mtDNA的酶，并且具備校對功能，能在復(fù)制時識別和校對錯誤的堿基，一定程度上減少突變的積累。

圖注：人類線粒體內(nèi)部的一些關(guān)鍵分子（POLG和POLG2負(fù)責(zé)復(fù)制，mtSSB和Twinkle協(xié)助復(fù)制）

Polg基因也會發(fā)生突變，為了更直觀，今天的研究中小鼠Polg核基因的突變被簡化為了兩種基因型，即：Polg mut/mut（完全有缺陷基因型，校對能力完全缺失）和Polg +/mut（部分有缺陷基因型）。相應(yīng)地，Polg正?；蛐捅幻枋鰹?strong>Polg +/+

那為什么說mtDNA突變積累并不能完全解釋線粒體功能障礙，而是Polg核基因在搞鬼呢？瞄準(zhǔn)線粒體功能的核心——呼吸功能（負(fù)責(zé)產(chǎn)生細(xì)胞的主要能量ATP），研究人員展開了一系列研究：

NO.1 mtDNA突變，背了太多的“鍋”

研究首先證實，只有當(dāng)Polg的校對能力完全缺陷（Polg mut/mut）時，小鼠的mtDNA中才會顯著積累突變（大約是Polg +/mut的1.7倍）（PS：當(dāng)然也會有個別例外，就像不是每個吸yan者都會得肺ai一樣）。

圖注：Polg mut/mut基因型導(dǎo)致mtDNA突變頻率（指突變發(fā)生和修復(fù)等過程后，最終保留下來的凈突變頻率）顯著增加

不過有趣的是，雖然一些小鼠的mtDNA突變頻率相似，但它們的線粒體呼吸活性卻因Polg基因型不同而表現(xiàn)出了顯著差異。比如：

在腓腸肌中，部分Polg +/mut小鼠的mtDNA突變頻率為0.56%，低于正常Polg +/+小鼠，但它們的線粒體呼吸活性卻輕度降低。而有些Polg mut/mut小鼠的突變頻率與正?；蛐托∈笙喈?dāng)（0.66%，這就是上面說的有例外的情況），但它們的線粒體呼吸活性卻出現(xiàn)嚴(yán)重下降。

圖注：不同器官中Polg基因型、mtDNA突變頻率與線粒體呼吸活性的關(guān)系（棕色表示細(xì)胞色素c氧化酶COX活性，藍色表示琥珀酸脫氫酶SDH活性，都是線粒體呼吸鏈中的關(guān)鍵酶，COX/SDH值高，線粒體功能正常）

這說明，mtDNA突變頻率低，并不代表線粒體呼吸功能就是好的

這點在不同代際小鼠身上得到了驗證。G≥10代 Polg小鼠，指已經(jīng)繁殖了10代以上，積累了大量的mtDNA突變的小鼠。對應(yīng)的，G1代小鼠，是研究者人工創(chuàng)造的第1代小鼠，它們的mtDNA突變頻率要低得多。

結(jié)果顯示，盡管G1代小鼠的突變頻率低，但它們的線粒體呼吸活性并沒有比G≥10代小鼠更好。例如G1代Polg mut/mut小鼠的突變頻率為0.36%，大約只有G≥10代Polg mut/mut小鼠（0.69%）的一半，但它們的線粒體呼吸活性依然嚴(yán)重降低。

圖注：腎臟組織的COX/SDH染色結(jié)果，G1代小鼠的mtDNA突變頻率低，但線粒體呼吸活性并沒有更好

既然不是mtDNA突變頻率的問題，那會是mtDNA突變類型的原因嗎？研究結(jié)果顯示，不管是mtDNA的非同義突變、致病突變、還是插入突變和缺失突變，都不是導(dǎo)致線粒體呼吸活性下降的原因。

圖注：以比目魚肌中mtDNA的非同義突變?yōu)槔?，G≥10代Polg +/+小鼠積累了360個突變，但線粒體呼吸活性正常，而有相同突變數(shù)量的G1代Polg mut/mut小鼠，線粒體活性卻嚴(yán)重下降

NO.2Polg基因突變，才是那個的“因”

上面種種跡象已經(jīng)表明，線粒體呼吸活性下降與Polg基因突變關(guān)系匪淺！

對線粒體呼吸活性降低的細(xì)胞比例進行量化發(fā)現(xiàn)，線粒體呼吸功能下降與Polg的基因型（Polg +/mut、Polg mut/mut）密切相關(guān)。Polg mut/mut早衰小鼠的線粒體功能嚴(yán)重下降，而Polg +/+小鼠的線粒體功能正常。

由于代代繁殖，盡管G≥10代和G1代小鼠的mtDNA突變頻率不同，但它們的線粒體功能并沒有因此表現(xiàn)出顯著的差異。

圖注：量化線粒體活性降低的細(xì)胞比例（SDH陽性細(xì)胞比越大，線粒體呼吸活性越差）

由此我們得出結(jié)論：Polg核基因突變（特別是Polg mut/mut），才是造成線粒體呼吸功能障礙和衰老的決定性因素。

所以，傳統(tǒng)的線粒體衰老理論是完全錯了嗎？并不是！

雖然在小鼠這里，我們發(fā)現(xiàn)mtDNA突變積累并不是線粒體呼吸功能障礙的主導(dǎo)因素，但嚴(yán)重的mtDNA突變照樣會導(dǎo)致線粒體呼吸障礙和衰老

前面我們提到，線粒體DNA容易發(fā)生突變是因為復(fù)制的太“勤快”和缺乏強大的修復(fù)機制。但其實還有一點，線粒體DNA具有多拷貝性。也就是在每一個細(xì)胞中，存在多個線粒體，而每個線粒體中又含有多個線粒體DNA分子。

圖注：不同于細(xì)胞核DNA雙拷貝，線粒體DNA具有多拷貝性

這說明，只是一小部分mtDNA發(fā)生了突變，其它正常的mtDNA仍能維持線粒體的功能，細(xì)胞短期內(nèi)不會表現(xiàn)出異常，突變也就不容易被察覺。但當(dāng)這種突變積累到一定比例時，就不好說了。

就像在本研究中，有些小鼠積累了少量的致病突變（比如2個或3個），它們的線粒體功能并沒有明顯下降。但一只G≥10代Polg mut/mut小鼠的心臟中積累了一個突變頻率很高的致病突變，導(dǎo)致它的線粒體功能出現(xiàn)了顯著下降。

圖注：編號為mut/mut_3小鼠的心臟中積累了一個突變頻率為60%-70%的致病突變，引起線粒體功能異常

至于Polg基因，雖說是mtDNA發(fā)生突變的主要誘因，但也絕不是唯一誘因。mtDNA突變還受到多種因素的影響，如其他核基因突變、環(huán)境損傷（放射、化學(xué)毒素）、自然復(fù)制錯誤等等。

最后值得注意的是，在人類群體中，大約有2%的人群攜帶POLG基因突變[5]。顯然，這個數(shù)字并不能在很大程度上解釋普通人群的常規(guī)衰老軌跡（不能全面解釋，但可能是個體間差異的一個因素）。

但本研究就因此沒有意義了嗎？也不是！傳統(tǒng)mtDNA突變致病促衰的觀點本身并無多大毛病，但通過本研究，我們可能需要重新審視線粒體衰老理論的邊界，特別是核基因在調(diào)控線粒體功能和衰老中扮演的核心角色

未來，針對核基因編碼的線粒體相關(guān)蛋白（如Polg蛋白或其他調(diào)控因子）的研究，可能會為理解衰老和開發(fā)干預(yù)手段提供新的研究方向！

—— TIMEPIE ——

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參考文獻: