线粒体DNA与衰老的研究进展.doc

1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 1mtDNA 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 16569bp 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 mtDNA 得到发展，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2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 2mtDNA 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 mtDNA7.4kb 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 3243 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3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 4977bp 和 7436bp 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mtDNA 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 4977bp 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4中检测到 4977bp 缺失渐进性积累，其中 60～94 岁缺失增加显著，从 0.25%～5.39%［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］ 科学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5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治疗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参考文献】 1JordeLB， WatkinsWS，BamshadMJ，etal.Thedistributionofhumangeneticdiversity:acomparisonofmitochondrial,autosomal,andY chromosomedata.AmJHumGenet，2000，66(3)：979 988. 62FayetG，JanssonM ，SterbergD.Ageingmuscle:clonalexpansionsofmitochondrialDNApointmutationsanddeletionscausefocalimpairmentofmitochondrialfunction.Neuromuscul Disord，2002，12(5)：484 493. 3DelBOR，BordoniA，MartinelliBoneschiF ，etal.Evidenceandage relateddistributionofmtDNAD looppointmutationsinskeletalmusclefromhealthysubjectsandmitochondrialpatients.JNeurolSci，2002，202(1 2) ：85 91. 4RossOA，HylandP，CurranMD，etal.MitochondrialDNAdamageinlymphocytes:aroleinimmunosenescence?ExpGerontol，2002， 37(2 3)：329 340. 5GerhardGS，BenkoFA，AllenRG，etal.MitochondrialDNAmutationanalysisinhumanskinfibroblastsfromfetal,young,andolddonors.MechAgeingDev，2002，123(2 3) ：155 166. 76BarronMJ，JohnsonMA，AndrewsRM.Mitochondrialabnormalitiesinageingmacularphotoreceptors.InvestOphthalmolVisSci，2001，42(12)：3016 3022. 7HoltIJ，HardingAE，Morgan HughesJA.DeletionsofmusclemitochondrialDNAinpatientswithmitochondrialmyopathies.Nature，1988，331(6158)：717 719. 8LustbaderJW，CirilliM，LinC ，etal.ABADdirectlylinksAbetatomitochondrialtoxicityinAlzheimer’sdisease.Science，2004，304(5669) ：448 452. 9ValenteEM，Abou SleimanPM ，CaputoV，etal.Hereditaryearly onsetParkinson’sdiseasecausedbymutationsinPINK1.Science，2004，304(5674)：1158 1160. 810CottrellDA，TurnbullDM.Mitochondriaandageing.CurrOpinClinNutraMetabCare，2000，3(6)：473 478. 11WallaceDC.Amitochondrialparadigmfordegenerativediseasesandageing.NovartisFoundSymp，2001 ，235：247 263. 12TrifunovicA，WredenbergA，FalkenbergM，etal.PrematureageinginmiceexpressingdefectivemitochondrialDNApolymerase.Nature，2004，429(6990)：417 423. 13JouMJ， PengTI，ReiterRJ ，etal.Visualizationoftheantioxidativeeffectsofmelatoninatthemitochondriallevelduringoxidativestress inducedapoptosisofr。