第六节衰老线粒体DNA损伤学说

1、第六节线粒体DNA损伤学说 线粒体是真核细胞胞浆中具有双层膜结构的细胞器，电镜下呈椭球形或球形，长径051m，由DNA、RNA、磷脂、蛋白质等组成，是细胞有氧呼吸的主要场所。线粒体外膜将线粒体与周围的细胞质分开，是各种粒子进出线粒体的屏障，相对分子质量10×103以下的小分子物质可自由透过。线粒体内膜通透性较差，对许多物质具有选择性，向内折叠形成嵴，嵴上存在基粒。在线粒体的外膜、膜内空间、内膜、基粒和基质中，分布着一百多种与葡萄糖有氧氧化、氨基酸代谢、脂肪酸分解、DNA复制、RNA合成等过程有关的酶和辅酶，其主要功能是参加三羧酸循环中的氧化反应、电子传递和能量转换。 一、线粒体DNA

2、的结构与功能 人类线粒体：DNA(mtDNA)是独立于细胞核染色体外的又一基因组，能够在线粒体基质内自主复制和合成，每个线粒体含210个mtDNA分子，每个细胞中存在1 0002 000个线粒体，以此推算，每个细胞有103104 mtDNA拷贝，据估计mtDNA的总量不足细胞核DNA的1。呲DNA由16 569个碱基对组成，非编码区有两个：一个是由87个碱基对组成的基因间隔区，占mtDNA总长度的05；另_个是线粒体基因组控制区，又称D环，占mtDNA总长度的6左右，富含A-T碱基，与mtDNA复制、转录有关。D环属于遗传高变区，其碱基替换率比mtDNA其他区域高510倍。 线粒体基因共有37

3、个，其中13个是蛋白质基因，参与编码呼吸链酶复合体亚单位，24个为RNA编码基因。线粒体呼吸链由5个酶复合体组成，分别称为复合酶I、V，共有100多个不同的蛋白质亚单位，其中复合体I(NADH脱氢酶或NADH一泛醌还原酶)的7个亚单位、复合体(细胞色素b或泛醌一细胞色素c还原酶)的1个亚单位、复合体(细胞色素c氧化酶)的3个亚单位和复合体V(ATP合成酶)的2个亚单位由蛋白质基因编码。RNA编码基因中有2个是rRNA基因，分别编码16s rRNA和12s rRNA，另外22个编码tRNA，tRNA基因位于rRNA基因和蛋白质编码基因之间。mtDNA分子为环状双链DNA，外环为 重链(H)，内环

4、为轻链(L)，两条链均有编码功能，上述37个基因中有28个位于H链，它们是2个rRNA基因、14个tRNA基因和12个蛋白质基因，另外8个tRNA基因和1个蛋白质基因位于L链。由此可知，mtDNA主要编码rRNA、tRNA以及呼吸链酶复合体的少部分亚基，氧化呼吸所需酶类的大部分亚基由细胞核基因组编码，包括复合体(琥珀酸脱氢酶或琥珀酸一泛醌还原酶)的所有亚基。 线粒体位于胞质中，在细胞分裂时将mtDNA随机分配到子细胞中去，一个卵细胞含数十万个mtDNA，而一个精细胞仅含数百个mtDNA，子代细胞的mtDNA主要来自卵细胞，所以mtDNA是母性遗传，且不发生DNA重组。mtI)NA有2个复制起始

5、点，分别复制H链和L链，两条链上的结构基因没有间隔，不含内含子，甚至部分区域有基因重叠，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔接，因此每个基因不可能都有自己的启动子。 mtDNA有5个阅读框架，各种氨基酸的密码子以及起始密码子和终止密码子的数目都是2、4或6，某些蛋白质的密码子与细胞核基因组通用密码子不同，例如，AuA成为甲硫氨酸(Met)的密码子，而不是异亮氨酸(Ile)密码子；UGA不是终止密码子，而是色氨酸(Tyr)的密码子；AGA、AGG不是精氨酸(Arg)的密码子，而是终止密码子。因此，线粒体共有4个Met起始密码子AuA、AUc、AuG和Auu，2个内部Met密码子

6、AuG和AuA，4个终止密码子AGA、AGG、UAA和UAG。 线粒体是半自主性细胞器，mtDNA基因的复制、转录和翻译受细胞核基因组制约，其复制酶均由核DNA编码。1999年法国巴黎巴斯德学院的Ricchetti及其同事报道，自然状态下酵母单倍体有丝分裂细胞双链DNA断裂修复时，线粒体DNA中某些彼此并不靠近的单个或串联片断能够入侵、整合至细胞核基因组中，主要分布在染色体的非编码区，尤其是反转录转座子长末端重复序列附近；2004年他们又对人类基因组进行扫描，在人类核染色体中发现了211个来自线粒体的DNA片断，长度自47 bp至14 654bp不等，其中93为单个mtDNA片断，7为多个互不

7、相关的mtl)NA片断，它们80位于基因内含子或外显子中，与mtDNA序列同源性为78100，染色体18和Y最易被入侵。分析细胞核基因组中的mtDNA插入现象，可以追踪人类进化的长、短期趋势。 二、线粒体DNA损伤与衰老 人体中糖、脂、蛋白三大物质的代谢都需要不断消耗从空气中吸收的氧，进入细胞内的氧90被线粒体用于生物氧化，同时生成ATP。线粒体内膜是氧化磷酸化的场所，正常ATP。生成过程中，有15的氧逸出呼吸链而转化为氧自由基，因此线粒体是氧自由基浓度最高的细胞器。 mtDNA裸露于线粒体基质中，缺乏组蛋白和DNA结合蛋白保护，容易遭受氧自由基损伤而导致体细胞突变。另一方面，催化mtDNA复

8、制的DNA聚合酶1不具备碱基校对功能，复制错误率高，mtDNA损伤后缺乏一套完整的DNA修复系统，因此，mtDNA突变率高达1O-510-8，而细胞核内遗传基因突变率为10-810-9，前者比后者高517倍。mtDNA突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环，造成mtDNA损伤，甚至导致细胞衰老与死亡。人体心、脑、骨骼肌代谢速率最高，氧负荷最大，因而最容易衰老。给予氧自由基清除剂则可逆转这一过程，例如普通小鼠寿命只有2年左右，而线粒体中加入了过氧化氢酶的小鼠寿命可以延长4个月。 mtDNA突变主要包括点突变和缺失突变，它们都与衰老有关。1999年，美国加利福尼亚科技学院生物系研

9、究人员Michikawa等人发现，与年轻人相比，老年人成纤维细胞线粒体基因组DNA复制控制区点突变出现率较高，65岁以上患者中57存在T414G颠换，而年轻者中无一例改变。2004年，瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡医学院基因学专家Larsson教授领导的研究小组通过基因敲入技术建立了一种纯合小鼠模型，可以表达无碱基校对功能的mtDNA聚合酶催化亚单位：PolgA，结果发现这种小鼠mtDNA中出现了增变基因，点突变频率增加35倍，同时伴有大量mff)NA缺失，寿命较普通小鼠缩短23，而且出现早衰现象，例如体重减轻、皮下脂肪减少、脱毛、驼背、骨质疏松、贫血、生殖力下降、心脏增大等，说明mtDNA突变可以

10、引起哺乳动物衰老表现。 2005年，美国威斯康星大学医学遗传学教授Prolla及其同事获得了一种无碱基校对功能的mtDNA聚合酶催化亚单位y(Potg 8)突变型小鼠，mtDNA测序发现其mtDNA突变率是野生型的38倍，具有早衰表现，而且寿命只有后者的541；进一步研究显示，突变型小鼠氧化应激或细胞增殖情况并无改变，而细胞凋亡指标裂解的半胱氨酸天冬酶-3(cleaved caspase-3)较野生型小鼠增加50以上，提示mtDNA突变可能通过诱发凋亡导致衰老。我国学者曾昭惠等人发现，老年balbc小鼠mtDNA存在明显片段缺失，脑缺血时缺失更易发生。1992年英国科学家(Cooper。等人报

11、道，随着年龄增长，人体骨骼肌mtDNA50 kb片段丢失率逐渐增高，21岁时仅为10-5，56岁时为10-4，78岁时升至2×10；片段丢失会影响线粒体氧化磷酸化，导致呼吸链功能降低，其中受影响最大的是酶复合体I和IV，6090岁时的酶活性较2030岁时分别下降59和47。不论是mtDNA点突变还是片段缺失都可导致线粒体内tRNA种类不全以及mRNA不足，引起多种蛋白质合成障碍，影响线粒体功能。 细胞核染色体中不仅存在编码线粒体呼吸链酶复合体大部分亚基的基因，而且还有与线粒体损伤修复有关的DNA片断，因此细胞核基因组对线粒体具有调控作用。线粒体正常功能有赖于细胞核DNA正常结构的维持，如果编码线粒体蛋白的细胞核DNA存在缺陷或发生突变，也会影响到线粒体。日本理化研究所细胞分子生物学实验室研究小组发现，细胞核基因组中存在基因MHRl，由459个碱基组成，可以编码一种多肽，含有226个氨基酸，相对分子质量269×10。，能够修复