研究發(fā)現(xiàn)線粒體DNA突變引發(fā)小腸衰老的全新通路與逆轉(zhuǎn)方案
近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國課題組在《自然-通訊》（Nature Communications）上，發(fā)表了題為NAD+
dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations9的研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)老齡動物的腸中線粒體DNA低頻點(diǎn)突變（0.005-0.05）的特異積累。利用動物模型和類器官技術(shù)論證線粒體DNA突變累積，導(dǎo)致腸道衰老過程中NADH/NAD+氧化還原態(tài)的消耗，并通過激活轉(zhuǎn)錄因子5（ATF5)依賴的線粒體未折疊蛋白反應(yīng)（UPRmt）激活，損傷Wnt/β-catenin信號和耗竭腸干細(xì)胞以引發(fā)腸衰老，并進(jìn)一步開發(fā)出通過補(bǔ)充NAD+前體NMN（煙酰胺單核苷酸）的逆轉(zhuǎn)衰老方案。
自古以來，腸道的器官穩(wěn)態(tài)失衡被認(rèn)為與個體衰老密切相關(guān)。腸上皮是成年哺乳動物中自我更新速度最快的組織，約4~5天更新一次。成年人的腸上皮由形成絨毛的分化細(xì)胞和隱窩中的干細(xì)胞組成。腸干細(xì)胞可以分化為不同的上皮細(xì)胞，從而形成有序的腸道結(jié)構(gòu)，以維持腸道穩(wěn)態(tài)和吸收、分泌、屏障與抗微生物功能等基本功能。然而，腸衰老的標(biāo)志物和應(yīng)答信號通路尚不清楚。目前，研究認(rèn)為線粒體功能障礙是細(xì)胞衰老的重要原因。有研究表明老年人類臨床腸道樣本存在線粒體DNA突變的積累。然而，隨著年齡的增長，線粒體DNA突變累積是否以及如何調(diào)控腸衰老？這是未知之謎。
該團(tuán)隊(duì)揭示了自然衰老動物的腸線粒體DNA突變隨年齡變化的規(guī)律，并鑒定了類型為線粒體DNA低頻點(diǎn)突變（0.005-0.05）。為了解析線粒體DNA突變對腸衰老的因果作用，研究使用了線粒體DNA突變（線粒體DNA聚合酶γ-POLG突變）小鼠。這是廣泛應(yīng)用研究線粒體DNA突變引發(fā)衰老的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｑ芯客ㄟ^POLG突變小鼠和野生型鼠產(chǎn)生了四類不同線粒體DNA突變率的小鼠。其中，POLG突變純合子小鼠的線粒體DNA突變率最高，且和自然衰老小鼠一樣，主要積累低頻點(diǎn)突變（0.005-0.05）。研究結(jié)合腸類器官技術(shù)和腸干細(xì)胞內(nèi)源標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)，相同月齡下僅POLG突變純合子小鼠更早出現(xiàn)了腸衰老的表型，展示出腸類器官分化程度低和腸干細(xì)胞數(shù)量銳減的現(xiàn)象，說明高負(fù)擔(dān)的線粒體DNA突變可促進(jìn)腸衰老的發(fā)生。這為腸衰老提供了線粒體DNA低頻點(diǎn)突變（0.005-0.05）這一新的生物標(biāo)記。
該研究通過多組學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)，聚焦到線粒體相關(guān)的通路。NADH/NAD+氧化還原態(tài)的消耗導(dǎo)致腸功能中發(fā)揮重要作用的Wnt/β-catenin信號衰減。進(jìn)一步，研究通過NAD+前體NMN回補(bǔ)挽救了腸衰老表型，包括腸類器官分化和腸干細(xì)胞數(shù)量在一定程度上的恢復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，高負(fù)擔(dān)的線粒體DNA突變導(dǎo)致NAD+缺失，激活了轉(zhuǎn)錄因子ATF5依賴的UPRmt這一全新通路，促進(jìn)和加劇了腸衰老表型的發(fā)生。UPRmt被各種線粒體應(yīng)激激活，包括線粒體與細(xì)胞核的蛋白失衡和線粒體蛋白運(yùn)輸障礙等。UPRmt的標(biāo)志是LONP1、HSP60和ClpP蛋白表達(dá)增加。而線粒體DNA突變引發(fā)的衰老UPRmt激活中，僅有LONP1蛋白特異上調(diào)，為腸衰老提供了候選標(biāo)志物。
綜上，該研究首次解析了衰老累積的線粒體DNA突變與哺乳動物腸衰老之間因果關(guān)系的基本問題，鑒定了線粒體DNA低頻點(diǎn)突變（0.005-0.05）與LONP1 蛋白特異上調(diào)兩個標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)了從線粒體DNA突變，到線粒體反向信號、干細(xì)胞耗竭、細(xì)胞間信號，再到器官衰老的多層次時空機(jī)制，為延緩腸衰老提供了全新的思路、靶點(diǎn)和策略。
該研究由廣州健康院、廣州醫(yī)科大學(xué)、中國科學(xué)院香港創(chuàng)新研究院（籌）、香港中文大學(xué)和新西蘭奧克蘭大學(xué)等合作完成。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的支持。
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