「不老葯」的前世今生系列 之 生命的發電機

風靡世界的好萊塢大片《變形金剛》中，希亞·拉博夫飾演的山姆·維特維奇發現了尋找「火種源」的地圖，而汽車人和霸天虎則為了奪取「火種源」，爆發了正義與邪惡之戰。電影中，「火種源」即是變形金剛火種的來源也是其能量之源，它的毀滅也意味著變形金剛將不復存在。同樣，存在於細胞內的線粒體，也是人類生命的能量之源。線粒體是細胞內的能量工廠，以ATP的形式供給生命所需的能量。數量極其龐大的線粒體構成了包括人類在內的生命的發電機，保障了細胞、組織和器官等多層次生命活動的有序進行。同時，線粒體結構和功能的異常也會導致多種衰老相關的退行性和代謝性疾病。本期「醉心科學」科普團隊將和大家一起揭開線粒體調控人類健康與衰老的神秘面紗。

電影《變形金剛》劇照

線粒體的發現之旅

線粒體由雙層膜構成，其內膜經過摺疊形成為表面積極大的內膜系統。同時，線粒體內含有環化DNA及獨立於細胞核的RNA轉錄與蛋白質翻譯系統，因此線粒體的起源，是一個長期爭議的生物學問題。

線粒體科幻圖

關於線粒體的起源，目前主要有兩種不同的觀點：分化學說和內共生學說。分化學說認為真核細胞的前身是一種進化上比較高等的好氧細菌，為了滿足呼吸的需要，細菌細胞膜開始內陷和分化，並將基因組包裹在雙層膜結構中，最終形成了線粒體的雛形。後來進一步進行了分化，形成了具有能量代謝功能的細胞器。與之相反，目前廣受支持的內共生學說則認為在十幾億年前，有一種具有吞噬能力的原始真核細胞，先後吞噬了幾種原核生物，這些被吞噬的細菌並沒有被消化分解，而是在原始真核細胞中生存了下來，最終經過長時間的進化，最終成為宿主細胞內負責能量代謝的細胞器。

線粒體內共生假說示意圖

隨著光學顯微鏡和電子顯微鏡等研究工具的出現和發展，人們對線粒體的認識也在逐漸深入。1857年，瑞士解剖學家及生理學家Albert Koelliker首先在肌肉細胞的細胞質中發現了一種顆粒狀結構。1897年，德國科學家Carl Benda觀察到這些「顆粒結構」時而呈線狀，時而呈顆粒狀，因此用希臘語中「線」和「顆粒」對應的兩個單詞「mitos」和「chondros」，組成「mitochondrion」來命名這種結構，從此這個名稱便被一直沿用至今。由於線粒體對於細胞的生理功能至關重要，因此對於線粒體的每一次研究突破都會備受關注，同時也湧現了眾多的諾貝爾獎獲得者。例如，Otto Heinrich Warburg測定了一氧化碳對呼吸的抑制由光照射而又恢復的作用光譜，發現與氧直接反應的酶是呼吸酶，也就是現在的細胞色素氧化酶。Warburg因為「發現呼吸酶的性質及作用方式」於1931年被授予諾貝爾生理學或醫學獎。Hans Adolf Krebs因發現三羧酸循環，揭示了生物體內糖經酵解途徑變為三碳物質後，進一步氧化為二氧化碳和水的途徑以及代謝能的主要來源。這一發現被公認為代謝研究的里程碑，以他的名字命名為克氏循環（Krebs cycle），並獲得了1953年的諾貝爾生理學或醫學獎。

Albert Koelliker，Carl Benda，Otto Heinrich Warburg，Hans Adolf Krebs（從左至右）

線粒體與衰老研究的代表性事件

線粒體與人類疾病

隨著線粒體相關研究的不斷深入，人們逐漸認識到線粒體異常會影響整個細胞的正常功能，並且與人的疾病密切相關。許多研究表明，一些常見的衰老性疾病（如帕金森氏症、阿爾茲海默病、糖尿病、腫瘤）以及Leigh綜合征和Leber視神經病變等罕見遺傳疾病的發生髮展均與線粒體功能的異常有關。線粒體功能異常既是疾病的誘因，同時也是疾病發病的早期徵兆。

2006年，美國科學家Reddy P. Hemachandra等人以類阿爾茲海默症小鼠進行研究，發現和阿爾茲海默症病人一樣，在小鼠的腦中有澱粉樣蛋白前體蛋白（APP）的累積，以及由β澱粉樣蛋白（Aβ）堆積而形成的斑塊。並發現這些Aβ在線粒體的內外部都存在。Reddy博士認為：突變的APP及Aβ破壞了線粒體的正常功能，使得Aβ的累積而促使病況惡化。這種惡性循環造成腦細胞不斷受到破壞。因此，維持或保護線粒體的正常功能，可能是延緩或阻止阿爾茲海默症的治療方法。

Maria Manczak, et al. Human Molecular Genetics 2006 May 1;15(9):1437-49.

2014年，比利時神經科學家Vanessa A. Morais發表在Science上的文章在Pink1基因缺陷的果蠅和小鼠中研究了Pink1、線粒體與帕金森病之間的聯繫。Pink1基因的缺陷使模式動物出現了帕金森病的一些癥狀，導致了線粒體蛋白複合體Complex I無法適當磷酸化，從而造成能量生成的減少。當確保Complex I發生正常磷酸化時，小鼠及患者幹細胞中的帕金森病表型明顯減輕或消失。這一研究提示了維持線粒體的正常功能及保證細胞能量的生成，對與治療帕金森病可能具有重要意義。

Vanessa A. Morais, et al. Science 2014 Apr 11;344(6180):203-7

2015年，耶魯大學Gerald I. Shulman研究團隊對平均年齡為69歲的非吸煙健康老年人進行了口服葡萄糖測試並檢測了他們肌肉細胞中的脂質含量，發現老年個體的血糖濃度和肌肉細胞脂質含量都顯著高於年輕個體。給予胰島素刺激後，研究人員對線粒體內兩種關鍵代謝酶的催化速率變化進行檢測，發現老年人肌肉線粒體葡萄糖代謝的能力下降，而這可能是導致衰老相關的2型糖尿病發生和葡萄糖耐受性損傷的重要原因。

Kitt Falk Petersen, et al. PNAS 2015 Sep 8;112(36):11330-4

近日，Zhenglong Gu研究團隊通過對903名自閉症譜系障礙（ASD）兒童及其未患病的兄弟姐妹、父母進行了線粒體DNA測序分析，發現ASD兒童相比於其他家庭成員攜帶了更多的線粒體DNA突變，作者認為這些潛在的有害突變可能與患病兒童的低智商及其神經發育問題有關。除此之外，越來越多的研究都發現很多神經系統發育相關疾病都與線粒體DNA的突變有關，進一步說明線粒體在人類疾病發生過程中扮演的重要角色。

Yiqin Wang, et al. Plos Genetics 2016 Oct 28;12(10):e1006391

線粒體與衰老

衰老是一種複雜的病理生理現象，主要表現為機體功能的顯著下降。大量研究表明，線粒體功能異常與人類衰老進程密切相關，線粒體也被稱為「衰老的生物鐘」。

2016年，Nuo Sun等在著名學術期刊Molecular Cell上發表綜述，強調線粒體在細胞老化、慢性炎症以及幹細胞功能維持等方面的重要作用，以及線粒體未正確摺疊蛋白反應與細胞自噬之間的調控關係。文章提示，通過調節線粒體參與的信號調控通路，可能有助於延長人類的壽命。

Nuo Sun, et al. Molecular Cell 2016 Mar 3; 61(5):654-66

其實早在1972年，Harman已經猜測線粒體是驅動衰老生物鐘的核心部件，並提出了「線粒體衰老學說」，即細胞線粒體自由基損傷的累積導致機體的衰老。1995年發表在Nucleic Acids Research的一篇文章指出，40歲以下人骨骼肌的線粒體DNA突變發生率非常低，而50歲以上線粒體DNA則發生廣泛的突變。這些研究提示，衰老伴隨著線粒體DNA突變的增加，尤其在腦和肌肉等高氧耗的組織中表現更為突出。衛生部北京老年醫學研究所楊澤教授曾對廣西巴馬長壽老人線粒體基因組序列進行測定，發現線粒體DNA 4824A/G位點隨年齡增加突變頻率逐漸提高，且對照人群樣本突變率明顯高於長壽人群。此外，中國科學院昆明動物研究所的孔慶鵬研究員通過對長壽家系線粒體DNA研究發現40到70歲人群的線粒體DNA拷貝數隨著衰老而降低，然而九十歲以上的健康長壽人群線粒體DNA拷貝數水平不僅沒有降低反而顯著高於普通老年人群，提示線粒體功能的維持可能是其保持健康、獲得長壽的關鍵所在。

Simon Melov, et al. Nucleic Acids Res1995 Oct 25;23(20):4122-6 (左)；He Yonghan, et al. Neurobiology of Aging 2014 Jul;35(7):1779.e1-4 (右)

2004年，Larsson研究團隊通過基因編輯的方法使小鼠線粒體DNA聚合酶的校正功能缺失，從而加速了mtDNA突變速度。這種mtDNA聚合酶缺陷小鼠出現體重減輕、皮下脂肪減少、脫毛病、脊柱後突骨質疏鬆、繁殖能力降低、貧血等早衰現象。

Aleksandra Trifunovic, et al. Nature.2004 May 27;429(6990):417-23.

線粒體「超氧炫」現象是指，單個線粒體內超氧陰離子自由基的自發的、爆發性的生成。目前的研究發現細胞內線粒體超氧炫的頻率與線粒體呼吸、ATP合成、鈣信號、基礎活性氧水平等緊密相關，那麼線粒體超氧炫與細胞和機體衰老存在著怎樣的關係呢？2014年，北京大學分子醫學研究所程和平實驗室與北京生命科學研究所董夢秋實驗室在Nature雜誌聯合發文，報道了線粒體的「超氧炫」頻率可以預測線蟲的壽命，他們發現線蟲成蟲第三天咽部肌肉細胞的超氧炫頻率可以準確反映基因、環境和隨機因素對線蟲壽命的影響，這一結果也意味著在動物機體功能最旺盛的時候，衰老的速度在相當大程度上已經決定了，這一研究證明了衰老是生物體程序調控的過程，與線粒體的功能活動密切相關。

Shen Enzhi, et al. Nature 2014 Apr 3;508(7494):128-32

2015年Christopher D. Wiley等在Cell Metabolism上文章指出除了細胞生長停滯，β-半乳糖甘酶活性增加以及核纖層蛋白B減少外，線粒體功能障礙也是一個衰老的標誌。作者認為線粒體功能障礙（MiDAS）是由於NAD+/NADH比例減少從而引起細胞生長停滯，抑制了炎性因子的分泌，MiDAS會分泌出一些蛋白質，從而引起的一種不同於基因毒性應激引起的衰老表型。

Suchira Gallage, et al. Trends in Biochemcal Sciences 2016 Mar;41(3):207-9

2016年，美國加州大學伯克利分校Andrew Dillin實驗室發表在Cell雜誌上的文章指出，線粒體應激會通過組蛋白H3K9二甲基化標記引起染色質結構發生大範圍改變，雖然這些甲基化標記會導致染色質發生全局性基因表達沉默，但是仍有小部分染色質保持開啟狀態直至成年。說明生物體在線粒體應激狀態下，通過特定的表觀遺傳修飾允許特定基因表達，從而使其壽命得以延長。同期，Cell Research雜誌也發表了北京大學劉穎課題組關於細胞非自主性線粒體非摺疊蛋白反應機制的研究，該研究揭示了神經系統在誘導細胞非自主性線粒體非摺疊蛋白反應和調控壽命等過程中的重要性。

Ye Tian, et al. Cell 2016 May 19;165(5):1197-208

線粒體能否作為延緩衰老的能量開關？

線粒體被稱為衰老的生物鐘，在衰老過程中其核心作用已被生物醫學界廣泛認同。線粒體衰老相關的研究也已成為科學界研究的熱點。衰老線粒體功能改變使電子傳遞出現障礙，從而使線粒體內活性氧（ROS）生成增多，ROS 的增多又進一步加劇線粒體的損傷，從而形成 ROS惡性循環，導致線粒體ATP合成障礙，終歸於加速衰老的形成和發展。那麼，維持線粒體的正常功能是否能夠延緩機體的衰老進程呢？

健康與衰老的線粒體

隨著機體的衰老受損傷的線粒體會大量積累，不利於細胞的生存和正常功能的發揮。在長期進化過程中，細胞進化出能選擇性清除受損傷線粒體的系統，從而有效監控線粒體，保證細胞生存和正常活動，而這一線粒體質量控制的過程是由線粒體自噬（Mitophage）來完成的。2012年，中國科學院動物研究所陳佺研究組發表在Nature Cell Biology雜誌上的文章報道了一個新的介導哺乳動物細胞線粒體自噬的受體分子Fundc1。它定位在線粒體外膜上，通過與自噬的關鍵分子LC3相互作用，介導低氧誘導的線粒體自噬。這一研究結果為線粒體自噬和線粒體質量控制提供了新的認識，並為進一步闡明線粒體自噬在疾病發生中的作用提供了新的可能。

Liu Lei, et al. Nature Cell Biology 2012 Jan 22;14(2):177-85

近日，來自加州理工學院和加州大學洛杉磯分校的研究人員通過基因工程的手段使果蠅翼肌中mtDNA在青年時期突變，通過促進自噬基因的活性而選擇性地清除了突變的線粒體。這一作用有效消除了細胞的代謝缺陷，使細胞恢復至年輕的狀態。該研究於2016年11月發表在Nature Communications雜誌上，為科學家尋找特異性清除損傷線粒體的相關藥物提供了線索。

Nikolay P. Kandul, et al. Nature Communications 2016 Nov 14;7:13100. doi: 10.1038/ncomms13100

儘管科學家們還沒有找到能特異性針對線粒體功能障礙的特效藥，但是隨著研究的不斷深入，人們提出了其他潛在的治療方法。2014年，復旦大學腦科學研究院朱劍虹課題組發表在Cell上的文章指出，用極體中的遺傳物質代替胞漿內的遺傳物質，在兩種不同線粒體遺傳背景的小鼠之間進行線粒體置換研究，結果顯示通過第一極體置換產生的子代小鼠體內僅含卵胞漿供體小鼠的線粒體，在最大程度上避免了異質線粒體DNA。該研究證明了極體的優越性及潛在的臨床應用價值。

Wang Tian, et al. Cell 2014 Jun 19;157(7):1591-604

2015年SALK研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte的一項合作研究指出，利用線粒體DNA突變患者皮膚中的成纖維細胞，通過細胞因子介導的重編程和體細胞核轉移(SCNT)這兩種方法，可以獲得健康的多能幹細胞，從而恢複線粒體的正常代謝功能。同年，該課題組在Cell發文稱首次成功使用基因編輯技術阻止了與多種人類線粒體疾病相關的突變線粒體DNA從小鼠母親處傳遞給後代。該技術利用了TALEN的DNA切割酶來直接糾正線粒體的突變DNA，使靶線粒體DNA的水平降低到了觸發線粒體疾病的閾值以下，該技術也為防治線粒體疾病提供了新的可能。

Pradeep Reddy, et al. Cell 2015 Apr 23;161(3):459-69

然而關於線粒體對生物體壽命的影響一直存在不同的看法。2015年Science特刊（「Why we age」）中的一篇綜述指出衰老相關的線粒體功能障礙並不足以限制動物壽命，並且線粒體的活性氧（ROS）也不總是有害的，有時甚至能促進壽命延長的細胞通路，因此線粒體對於壽命調節的作用可以說十分複雜。

Science special issue: WHY WE AGE

雖然目前對於線粒體在壽命調節方面存有爭議，但是人們依然可以通過加強運動的方式增強線粒體的活力，維持良好的機體健康狀態。Charlotte Tate等研究人員發現，8-10周跑台訓練後衰老大鼠心肌線粒體CytC氧化酶活性顯著提高。其他研究也表明，中、小強度的有氧運動促進了抗氧化酶活性的提高，使SOD/MDA比值升高，提高了機體抗氧化能力。如此看來，適當的運動可能就是最好的「不老葯」啦。

線粒體作為「生命的發電機」調節人體的多種生理過程

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