衰老过程中线粒体DNA修复功能的研究

1、第27卷 第4期V o.l27,N o.4体育成人教育学刊Jou rnal of Sports A dult Educati on2011年8月A ug.,2011衰老过程中线粒体DNA修复功能的研究易 军(重庆邮电大学体育学院,重庆400063摘 要:对衰老过程中线粒体DNA修复功能的研究现状及进展进行探讨,分析了线粒体DNA修复在衰老过程中的作用和可能机制,包括衰老过程中活性氧生成及线粒体抗氧化体系的变化,线粒体DNA修复酶OGG1的可能作用机制。关键词:衰老过程;线粒体DNA;修复功能中图分类号:G804.2 文献标识码:A 文章编号:1672 268X(201104-051-03Res

2、earches of repairi ng f uncti on ofm itoc hondrialDNA i n aging processY I Jun(Sport Co ll ege,Chongq i n P ost and T e lecomm un i cati on U niv.,Chongq i n400063,Chi naAbstrac t W ith the resea rch m ethod o f literature study,t he paper d i scusses the current researches of repa iring f unc ti on

3、 o fm i tochondria lDNA and its deve l op m ent.The paper ana l y ses the repair i ng f uncti on o fm it o chondrial DNA i n the ag i ng process and its possi b l e m echan is m,i nclud i ng the produc ti on o f reacti ve oxygen spec i es i n t he ag i ng pro cess,the chang es of t he m itochon dr i

4、 a l antiox ida ti on syste m and the poss i ble f unctiona lm echanis m of repa iring enzy m e OGG1o fm itochondr i a l DNA.K ey word s ag i ng;m itochondr i a l DNA;repa ir高等生物衰老是一个非常复杂的、渐进的生物学过程,涉及细胞、组织、器官的多种特异的生物大分子反应。衰老的线粒体理论认为,在生物生命周期中,体细胞线粒体DNA损伤的进行性积累导致了线粒体生物能量学功能的下降,直接导致了人类的衰老的产生。近期,线粒体DNA修

5、复功能发现表明在衰老和修复之间存在着密切的联系,这方面的研究已成为当前研究衰老机制的一大热点,本文就衰老过程中线粒体DNA修复功能研究进展综述如下。1 线粒体衰老理论概述线粒体通过氧化磷酸化产生ATP提供主要的生命所需能量,同时,线粒体也是机体生理及病理条件下细胞内RO S 和自由基的主要发生部位,通常认为线粒体功能的紊乱以及RO S产物的增加是衰老过程中重要的影响因素。H ar m an首先提出了衰老的自由基理论,他认为,作为有氧代谢的副产物,氧自由基引起了氧化损伤的累积,最终导致了衰老及与衰老相关的疾病,线粒体在衰老过程中扮演着重要的角色,因为线粒体是氧自由基产生的主要的细胞器而直接受到氧

6、自由基的攻击。人类细胞中有数以百计的线粒体,线粒体基因组编码了13个多肽,组成了呼吸链酶复合物,而这些复合物是氧化磷酸化系统所必须的,体细胞的线粒体DNA突变也许直接和RO S产生的恶性循环及衰老机制有关。L i nnane等人在1989年提出,线粒体DNA突变是人类衰老和退行性疾病的主要原因。在这种线粒体研究趋势下,衰老的自由基理论扩展到了衰老的线粒体理论。线粒体衰老理论认为在个体的生命周期中,体细胞线粒体DNA的进行性积累引起了线粒体生物能量学功能的下降,导致了衰老的产生。在正常的生理状态下,线粒体呼吸链电子传递过程中产生的ROS处于一种非常低的水平,ROS对线粒体DNA的氧化损伤可能导致

7、了DNA链的断裂以及体细胞线粒体DNA突变的发生。线粒体DNA突变的累计也许引起了呼吸链功能的紊乱,进而导致线粒体中RO S的增加以及更多的线粒体DNA突变的累计,这种恶性循环致使衰老过程中氧化损伤累积性增加,进而导致了细胞和组织功能的进行性下降。2 衰老过程中活性氧生成的变化大多数细胞内的RO S产生于线粒体呼吸链氧化反应。呼吸链复合物I和复合物III是线粒体呼吸链中ROS产生的主要位点。通过试验已观察到双翅类昆虫的平均生命周期,与组织细胞线粒体中的超氧阴离子和过氧化氢的产生比率呈负相关。而且,线粒体RO S增加的比率随着衰老而增加。DNA的氧化损伤引起了嘌呤碱和嘧啶碱的变构、单链及双链断裂

8、以及与其他分子的交联。随着衰老进程,组织细胞中核DNA和线粒体DNA结构的改变显著增加。哺乳动物线粒体DNA的几个特点使其具有对氧化损伤的高度敏感性。包括:接近线粒体ROS产生的位点、缺少组蛋白的保护以及线粒体损伤修复能力的限制。有文献报道线粒体DNA的氧化性变形比核DNA更为严重。有研究发现伴随衰老进程,心肌和膈的线粒体DNA氧化性变形明显增加。通过多聚酶链式反应测定特定的DNA损伤基因的研究发现,损伤的核苷酸阻断了DNA多聚酶的功能,导致了目标序列的扩增减少。在线粒体膜磷脂中的多不饱和脂肪酸对氧化作用非常敏51感,羟自由基是最能诱导脂质过氧化的因素之一。研究表明衰老过程中线粒体内大量的脂质

9、过氧化反应明显增加。有研究证实铁诱导的脂质过氧化改变了线粒体呼吸链氧化磷酸化反应、内膜屏障作用、线粒体跨膜电位和线粒体缓冲钙的能力。磷脂中的心肌磷脂只在线粒体中出现,且主要存在于线粒体内膜,心肌磷脂所必需的高度不饱和特性的脂肪酰链,使许多包含在线粒体呼吸链中的蛋白处于最佳功能。已有实验证明,增加的线粒体ROS也许导致了氧化作用和心肌磷脂的缺失,抑制了细胞色素C氧化酶活性,心肌磷脂的过氧化作用表明内膜的屏障作用受损,以及使细胞色素C更容易从线粒体电子传递链中分离。氨基酸残基的直接氧化作用促进了蛋白硫氢基团或羰基构成的变化,改变了蛋白结构,导致了正常功能的丢失,有证据显示在衰老过程中线粒体内被氧化

10、修饰的蛋白数量明显增加。对不同年龄段的人类皮肤成纤维细胞的研究表明,老年人比青年人的成纤维细胞有更高的蛋白氧化水平。有研究表明,衰老大鼠组织中线粒体谷胱甘肽被显著的氧化,研究发现衰老过程中肝脏、肾脏和脑内氧化性谷胱甘肽和还原性谷胱甘肽的比率以及氧化修饰的线粒体DNA 内容物之间的比率同时增加。有研究表明衰老的动物的线粒体蛋白中,顺乌头酸腺嘌呤核苷酸移位酶是氧化损伤的首选目标,线粒体顺乌头酸酶对超氧阴离子有高度的敏感性,在其活性部位使硫铁簇失活。3 衰老过程中抗氧化体系的变化在进化过程中,哺乳动物细胞发展了一系列的抗氧化酶,以对抗和清除正常生理条件下有氧代谢产生的RO S,这些酶包括锰超氧化物歧

11、化酶(M nS OD、铜、锌超氧化物歧化酶(Cu/ZnSOD、过氧化氢酶(CAT、谷胱甘肽过氧化氢酶(GPX、谷胱甘肽还原酶(GR。M nS OD和Cu/ZnS OD将超氧阴离子转变为H2O2,然后通过G PX和CAT转变为水。还原型谷胱甘肽被用来保护蛋白的硫氢基团以及维持细胞适宜的氧化还原梯度。氧化型谷胱甘肽通过GS H转变为还原型谷胱甘肽或其他小分子量的巯基化合物蛋白,如硫氧还蛋白。在正常的生理条件下这些抗氧化酶和蛋白与其他小分子量的抗氧化物能清除RO S和自由基。然而,过量的ROS产物也许能破坏抗氧化防御系统而产生氧化损伤,已有证据指出随着衰老的进行,在人类皮肤成纤维细胞中,Cu/ZnS

12、OD、CAT和G PX活力降低了,但M nSOD随着年龄到65岁仍增加,而后才逐渐降低。一般认为在衰老过程中抗氧化能力的降低和自由基清除酶表达的不平衡导致了氧化应激的增加以及组织细胞氧化损伤的发生。在对一些自由基清除酶缺失的衰老动物的研究中证实了抗氧化酶在衰老过程中的重要性。又研究观察到基因突变的果蝇Cu/ZnS O D或CAT基因增加了对氧化应激的敏感性,降低了存活力,缩短了生命周期。M nS OD缺失的小鼠表现出了新生小鼠的致死现象、扩张性心肌病和肝脏中脂质的积累,同时表现出了严重的线粒体功能紊乱,增加了对线粒体的氧化损伤。在衰老进程中线粒体M nS OD部分缺失的小鼠(SOD +/-提供

13、了一个增加的内源性线粒体氧化应激模型,在整个生命周期所有的组织中这些小鼠减少了30%-80%的线粒体,M nS OD活性并伴随着低水平的谷胱甘肽,而其他抗氧化酶活性没有明显的改变,如Cu/ZnSOD、G PX和C AT。在老年SOD+/-小鼠中尽管线粒体释放的过氧化氢和野生型小鼠一样多,但SOD+/-小鼠表现出了严重的氧化损伤。同时观察到SOD+/-小鼠降低了复合物I的电子传递链活性、增加了质子漏、降低了呼吸控制比率、线粒体膜电位以及A TP合成活力。这些发现表明增加的内源性抗氧化酶的缺失导致了线粒体呼吸链酶系的缺失。4 衰老过程中线粒体DNA的修复4.1 线粒体DNA的修复在人类中,线粒体D

14、NA编码了13个多肽,这13个多肽是氧化磷酸化的主要组成部分,并编码了线粒体内蛋白质合成所必须的2种rRNA(12S和16S和22种t RNA,由于线粒体DNA在能量代谢中编码蛋白的重要作用,所以这些蛋白的突变或丢失能导致线粒体功能的紊乱、RO S产物的堆积和细胞凋亡 。图1 线粒体DNA氧化损伤及修复K i shor K.Bhaka,t Sanath K.M okkapat,i,and et a.l m olecularand ce llular b i o logy,2006在增龄过程中,线粒体DNA累积了大量的8-羟基-2-去氧鸟嘌呤核苷酸(8-oxoG7,8-d i hydro-8-o

15、xoguanine,普遍认为是由ROS引起的,并也成为m t DNA(线粒体DNA氧应激损伤的重要标志。A错配为8-oxo G可导致G C T A 的转换突变。一般情况下这种突变可以被切除修复,在核和线粒体中均存在着该途径。在碱基切除修复中,8-oxoG被特定8-氧化鸟嘌呤NDA糖基化酶(OGG18-oxoguani ne-DNA g lycosy l ase切除,产生的A P(无碱基位点被AP内切核酸酶以及外切核酸酶切除并扩展成一个缺口,该缺口由DNA聚合酶来填补,DNA连接酶将催化最后的磷酸二酯键的形成(图1。通过对O gg1基因缺陷鼠和细胞的研究表明,OGG1修复8-ox o G的作用更

16、加明确。O gg l基因缺陷的小鼠与野生型小鼠相比,m t DNA中8-oxoG增长了9倍,而核DNA中只增长2倍,提示对于8 oxoG的清除上,线粒体似乎比核更依赖于OGG1。在此过程中蛋白在线粒体中的定位值得引起我们关注,线粒体含有内外膜,m t DNA在内膜的基质中,因此m t DNA 修复酶只有在线粒体基质中才能有效的完成m t DNA修复作用。已有研究表明,虽然衰老时会出现线粒体OGG1活性增高,但实际基质中的OGG1活性却降低了。线粒体的大部分蛋白都是由核基因编码的,这类蛋白一般都有一个N端的扩52展(N -te r m i na l ex tens i on,其中含有前序列或线粒

17、体靶向序列(m itochondr i a l targeti ng sequence ,M T S。虽然,OGG1-a 前体中同样含有这一氨基酸残基,但由于在C 末端含有核定位信号肽(NLS而有作用更强的核定位信号,OGG 1-a 进入细胞核,而OGG1-b 没有C 末端的N LS ,因而定位到线粒体。信号肽被线粒体表面的受体识别,引导OGG 1-b 与线粒体外膜的移位酶TOM 结合,进入线粒体间隙后再与线粒体内膜的移位酶T I M 上的位点结合。最后,线粒体转运马达(T I M 23复合体的一部分利用基质中的ATP 完成转运过程。进入线粒体后,前序列被定位于线粒体基质中的线粒体加工肽酶(m

18、 itochondr i a l processi ng pepti dase ,M PP剪切掉。因此,这些转运酶的改变也会影响到线粒体功能。4.2 线粒体的蛋白转运装置 TOM 和TI M 复合体蛋白质的转运涉及多种蛋白复合体即转位因子(transl o ca t o r,由两部分构成的:受体和蛋白质通过的孔道。主要包括: TOM 复合体,负责通过外膜,进入膜间隙,在酵母中TOM 70负责转运内部具有信号序列的蛋白,TOM 20负责转运N 端具有信号序列的蛋白,在人类线粒体中h T om34的功能与TOM 70相当。TOM 复合体的通道被称为G I P (G enera l i m port

19、 pore G IP ,主要由T om40构成,还包括T om22,T om7,T o m 6和Tom5; T I M 复合体,其中T I M 23负责将蛋白质转运到基质,也可将某些蛋白质安插在内膜;T I M 22负责将线粒体的代谢物运输蛋白,如ADP /AT P 和磷酸的转运蛋白插入内膜(图2 。图2 线粒体的蛋白转运装置-TOM 和T I M 复合体(Jo ach i m R assow and N i ko l aus P fanner ,20005 小结与展望随着衰老进程,线粒体RO S 增加的比率明显增加,引起线粒体内的脂质过氧化反应明显增多、被氧化修饰的蛋白数量明显增加。同时,由

20、于哺乳动物线粒体DNA 更接近线粒体RO S 产生的位点、缺少组蛋白的保护等原因,导致线粒体DNA 更易受损。哺乳动物线粒体内的一系列的抗氧化酶能对抗和清除正常的生理条件下的RO S ,然而,过量的ROS 产物也许能破坏抗氧化防御系统而产生氧化损伤,累积的8-羟基-2-去氧鸟嘌呤核苷酸(8-oxoG 7,8-di hydro -8-ox oguan i ne能通过碱基切除修复途径被特定的8-氧化鸟嘌呤NDA 糖基化酶(OGG 18-oxoguan i ne-DNA g l ycosy lase切除修复。线粒体m t DNA 存在内膜的基质中,因此核编码的OGG 1基因在运输到线粒体内膜基质的过

21、程中,需要某些 分子伴侣 及线粒体内外膜的移位酶T I M 和TOM 的参与,而最终进入线粒体基质中的m t DNA 修复酶才能完成m t DNA 修复作用。综上所述,线粒体的衰老与修复密切相关,为延缓衰老提供了强有力的理论依据,尽管线粒体DNA 修复为延缓衰老的影响提供了新的理念,但要正确评价修复机制在衰老研究过程中的作用还有待于进一步的研究。运动及其他方式对线粒体DNA 修复的作用如何,研究和探讨线粒体DNA 修复在延缓衰老中的作用机理,这些问题将对阐明何种方式作为延缓衰老有效手段具有现实意义,但是目前从分子生物学基础上的研究还比较薄弱。参考文献:1Beckman KB ,Am es B

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