线粒体DNA与衰老的研究进展

【关键词】  线粒体； DNA； 衰老

    线粒体是细胞呼吸和物质氧化的中心，是机体产生ATP的重要场 所，动物体内85%的ATP产生于此。线粒体是一种半自主细胞器，含有自身的DNA(mtDNA)， 研究表明mtDNA突变在组织细胞衰老过程中起着重要作用。
    1  mtDNA的分子生物学特性
    在遗传上，线粒体受核DNA和mtDNA双重控制，mtDNA遗传信息量虽小，却控制着线粒体一 些最基本的性质。人类mtDNA是环状双链分子，具有自我复制和转录功能，由16 569 bp组成 ，含37个基因，其中13个编码氧化磷酸化相关蛋白质，2个为rRNA基因，其余为tRNA基因。mtDNA具有特殊的遗传特征［1］。①母系遗传：mtDNA存在于胞质，遗传方式为细胞 质遗传。因此发生在生殖细胞中的突变能引起母系家族疾病，而体细胞组织中的突变则引起 的疾病具有散发性。②高突变率：mtDNA呈裸露状态，缺乏组蛋白保护且损伤修复机制不完 善，又直接暴露于高活性氧环境中，因此突变率比核DNA高10～20倍。③异质性：细胞内往 往同时存在正常mtDNA和突变mtDNA，异质细胞分裂时，突变mtDNA比例发生漂变，若突变mtD NA得到，就会改变细胞表型。④阈值效应：突变mtDNA需要达到一定水平才引起器官或 组织功能异常。⑤高利用率：mtDNA各基因之间排列紧密，除mtDNA非编码区D环的一段区域 外，其他序列无内含子，且部分区域还出现重叠，因此任何mtDNA的突变都会影响其功能。 ⑥协同作用：mtDNA基因表达受核DNA和mtDNA的双重控制，二者协同参与机体代谢调节。
    2  mtDNA突变与衰老
    近年来，mtDNA突变与人类遗传病、肿瘤及衰老的关系日益引起人们的关注。mtDNA突变有 3种：①缺失突变：主要发生在D环区，往往造成线粒体功能下降。如mtDNA 7.4 kb的缺失可 造成氧化磷酸化障碍、ATP生成减少，这类缺失多见于与衰老相关的退行性疾病。②点突变 ：主要发生在编码蛋白质和tRNA区。如tRNALeu基因3 243位点的A突变成G可阻碍mtDNA编码 的蛋白合成，并导致rRNA转录提前终止。③串联重复：是指碱基序列的重复。其意义目前仍 不十分清楚，可能是重复突变后，表达了种类过多的蛋白质，造成了线粒体呼吸链组装障碍 而导致疾病发生。mtDNA的三种突变都可引起衰老，其中mtDNA点突变和缺失突变发生频率最 高，研究也最多。
    人类衰老过程的一个重要特征，是伴随年龄增长出现的各种组织线粒体功能降低。呼吸链 功能衰竭可能在衰老过程中起作用，伴随衰老，一些组织的状态与呼吸速率明显降低，组化 检查也发现缺乏细胞色素氧化酶活性的肌肉纤维在老年人大量增多。Fayet等［2］选 取69～82岁没有肌肉疾病的个体研究mtDNA肌纤维中突变。在8组细胞色素C氧化酶缺乏的肌 纤维中检测到5个tRNA突变，而在正常组织中没有发现点突变。在7个细胞色素C氧化酶缺乏 的个体和一个正常个体中检测到4个不同的大面积缺失。研究表明，尽管肌肉mtDNA突变总体 水平较低，但突变的集中积累引起了线粒体功能的严重损失。
    大多数伴有mtDNA缺失的疾病往往在成年期开始表现出来，症状随年龄增长而加重，缺失 的mtDNA随年龄的增加而渐进性增殖，提示随年龄增长可能伴有特异的mtDNA缺失。这种突变 累积的结果，使线粒体氧化磷酸化的能力逐渐降低，细胞产生ATP的量越来越少，表现出来 的症状越来越明显。老年人各组织的mtDNA存有12处以上的大段缺失，其中以4 977 bp和7 4 36 bp的缺失最多和最常见。这种随年龄增长而明显增加的缺失只聚积在老化的丝状分裂后 细胞内，在40～80岁年龄段随年龄增长呈指数增加。Roberto等［3］在年老的骨骼肌 中发现，D环中存在两个点突变。对来源于91个不同年龄、不同个体的活体组织中这两个突 变的存在度和异质水平进行了评价，发现突变随着年龄增加而显著积累。在碱基缺失的患者 组中存在高数量的突变，而且证据表明多碱基缺失的患者mtDNA突变的风险有增加趋势。mtD NA突变随年龄的增长而增多，使mtDNA基因组高突变率常作为衰老过程的潜力生物学标记 ［4］。Gerhard等［5］用PCR方法在胎儿、青年、老年三个年龄组的皮肤成纤维 细胞都检测到4 977 bp缺失，其中老年组最高，大于0.3%。Barron同样用PCR方法在14～94 岁人的黄斑中检测到4 977 bp缺失渐进性积累，其中60～94岁缺失增加显著，从0.25%～5.3 9%［6］。
    1988年首次证实线粒体疾病与线粒体突变之间的关系［7］。在随后的十余年间,研 究者又发现许多与衰老相关的退行性疾病的主要原因是mtDNA的变异。与此相关的衰老性疾 病包括阿尔茨海默症、帕金森综合征等。阿尔茨海默症是一种大脑疾病，5%～10%的65岁以 上的人会患这种疾病，这种疾病涉及到损害神经细胞的毒性蛋白质?β淀粉体在大脑中的堆 积。β淀粉体进入线粒体并与那里产生的一种酶相互作用。这种相互作用损害了线粒体，导 致一种损害整个神经细胞的物质泄漏。结果是神经细胞的死亡，导致记忆的丧失和其他阿尔 茨海默症状的出现［8］。Valente等［9］对一组欧洲家族的基因分析发现了 在PINK1基因上的变异，该基因编码一种位于线粒体上的蛋白质。他们假设，正常PINK1版本 也许会保护神经细胞免遭线粒体功能障碍和细胞死亡。
    大量研究证实正常个体也会出现mtDNA突变，并且随增龄而积累。对于mtDNA突变和衰老之 间关系的研究主要是利用PCR、SSCP等方法纵向或横向比较体细胞mtDNA突变积累和年龄增 长的关系。人们推测，可能是mtDNA突变的积累，导致渐进性生物能量缺乏、细胞损伤、老 化并最终死亡；另一方面，可能是mtDNA突变和衰老之间仅仅存在着相关性，仅仅是衰老后 的一系列表征之一［10，11］。家通过基因工程方法使小鼠的mtDNA聚合酶γ亚 基具有较差的校对活性，从而具有更大的突变速度。这种mtDNA突变小鼠出现体重减轻、皮 下脂肪减少、脱毛病、脊柱后突骨质疏松、繁殖能力降低、贫血等早衰现象，并在1岁左右 死亡，而正常小鼠是在2～3岁死亡［12］。Jou等［13］用镉诱导小鼠肾皮质 细胞的线粒体，40周后发现mtDNA大量缺失，同时衰老相关的β?半乳糖苷酶水平亦增高， 到80周后进一步增高，这在一定程度上说明mtDNA的缺失突变与衰老的相关性。
    3  展望
    以mtDNA突变的基因工程小鼠为模型，从遗传、药理、饮食等方面设计实验，看能否对抗 由于mtDNA突变增加所引起的如活性氧自由基增加、能量不稳、细胞死亡等一系列病理效应 ，从而有可能设计出抵抗或延缓mtDNA突变效应的方法。使人们对于衰老的机制有了新的认 识，为揭示衰老的机制和抗衰老提供了理论依据。但是关于mtDNA突变与衰老的关系仍 有许多未知的问题，例如，高水平的mtDNA缺失对生理功能有明显损失,低水平的缺失对组织 是否有影响仍属未知。但至今还不清楚缺失mtDNA产生这种作用所需的阈水平。这些都将成 为生命科学中的研究重点。
【】
  1 Jorde LB，Watkins WS，Bamshad MJ，et al.The distribution of hum an genetic diversity: a comparison of mitochondrial, autosomal, and Y?chromosom e data.Am J Hum Genet，2000，66(3)：979?988.

2 Fayet G，Jansson M，Sterberg D.Ageing muscle: clonal expansions of mitochondrial DNA point mutations and deletions cause focal impairment of mitoch ondrial function.Neuromuscul?Disord，2002，12(5)：484?493.

3 Del BO R，Bordoni A，Martinelli Boneschi F，et al.Evidence and a ge?related distribution of mtDNA D?loop point mutations in skeletal muscle fro m healthy subjects and mitochondrial patients.J Neurol Sci，2002，202(1?2)：85 ?91.

4 Ross OA，Hyland P，Curran MD，et al.Mitochondrial DNA damage in lymphocytes: a role in immunosenescence? Exp Gerontol，2002，37(2?3)：329?340. 

5 Gerhard GS，Benko FA，Allen RG，et al.Mitochondrial DNA mutation analysis in human skin fibroblasts from fetal, young, and old donors.Mech Agein g Dev，2002，123(2?3)：155?166.

6 Barron MJ，Johnson MA，Andrews RM.Mitochondrial abnormalities in ag eing macular photoreceptors.Invest Ophthalmol Vis Sci，2001，42(12)：3016?3022. 

7 Holt IJ，Harding AE，Morgan?Hughes JA.Deletions of muscle mitochond rial DNA in patients with mitochondrial myopathies.Nature，1988，331(6158)：717 ?719.

8 Lustbader JW，Cirilli M，Lin C，et al.ABAD directly links Abeta to mitochondrial toxicity in Alzheimer’s disease.Science，2004，304(5669)：448? 452.

9 Valente EM，Abou?Sleiman PM，Caputo V，et al.Hereditary early? onset Parkinson’s disease caused by mutations in PINK1.Science，2004，304(5674) ：1158?1160.

10 Cottrell DA，Turnbull DM.Mitochondria and ageing.Curr Opin Clin N utra Metab Care，2000，3(6)：473?478.

11 Wallace DC.A mitochondrial paradigm for degenerative diseases and ageing.Novartis Found Symp，2001，235：247?263.

12 Trifunovic A，Wredenberg A，Falkenberg M，et al.Premature agein g in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase.Nature，2004，429(69 90)：417?423.

13 Jou MJ，Peng TI，Reiter RJ，et al.Visualization of the antioxid ative effects of melatonin at the mitochondrial level during oxidative stress?i nduced apoptosis of rat brain astrocytes.J Pineal Res，2004，37(1)：55?70.