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延缓衰老,从拯救线粒体开始!

发表时间:2024-04-15 10:01

线粒体(Mitochondrion),是一种存在于大多数真核生物细胞中的半自主细胞器,其中含有有限的遗传物质,也是细胞中制造能量,为细胞提供动力的场所。除此之外,线粒体还参与到诸如细胞分化、细胞间信息传递和细胞凋亡等生理过程,对于我们体内各种细胞行使正常生理功能至关重要。线粒体的结构由外到内主要可分为外膜、膜间隙、内膜、线粒体嵴(是线粒体内膜向线粒体基质折褶形成的一种结构。线粒体嵴的形成增大了线粒体内膜的表面积)和线粒体基质(图1)。

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图1 线粒体结构


衰老,是我们每个人都不可避免的一个过程。在衰老的过程中,大脑结构会发生难以逆转的退行性改变,如大脑皮层的体积缩小,这种结构改变毫无疑问会影响到大脑正常功能的运作,体现在我们的日常生活中,如反应能力的下降、运动的迟缓或者心理情绪的变化等。同样,随着衰老的发生,存在于我们每个细胞中的线粒体结构也会发生改变,包括线粒体嵴逐渐回缩到线粒体内膜上、线粒体基质碎片化、线粒体内膜形成囊泡状结构和内膜上二聚体结构的ATP酶解聚为单体,最终外膜破裂,将细胞凋亡因子释放到细胞质中,导致细胞死亡[1]。然而,因衰老导致的这些线粒体结构异常变化的分子机制尚未清楚。


近日,中国科学技术大学刘强团队在 Cell Metabolism 期刊上发表了题为 Aging-induced tRNAGlu-derived fragment impairs glutamate biosynthesis by targeting mitochondrial translation-dependent cristae organization 的研究论文[2],发现衰老大脑的谷氨酸能神经元细胞核所释放的谷氨酸转运RNA(tRNAGlu),会被剪切成微小RNA片段(transfer-RNAderived small RNA,tsRNA)—— Glu-5’tsRNA-CTC并聚集在线粒体中,因此打断了线粒体亮氨酸转运RNA(mt-tRNALeu)和亮氨酸转运RNA合成酶2(Leucyl-tRNA synthetase2,LaRs2)的结合,损害了线粒体亮氨酸转运RNA的氨基酰化和线粒体编码蛋白质的翻译过程。


并且,Glu-5’tsRNA-CTC的聚集也会导致线粒体嵴结构改变,谷氨酰胺酶(Glutaminase,GLS)依赖的谷氨酸合成过程受损,降低了突触间谷氨酸的含量,导致衰老相关表征出现,如记忆衰退。此外,本研究除了揭示了线粒体超微结构对于维持生理状态下谷氨酸稳态的重要性,也发现了转运RNA来源的微小RNA片段在衰老及衰老相关疾病中的病理作用。

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研究团队首先通过RNA测序发现,相较于年轻小鼠,衰老小鼠大脑中Glu-5’tsRNA-CTC明显增多,并且Glu-5’tsRNA-CTC的增多是由血管生成素(Angiogenin,ANG,一种RNA酶A家族的核糖核酸酶,负责剪切转运RNA)造成的。年轻时的血管生成素主要以磷酸化的形态分布在细胞核中,随着衰老的发生,血管生成素逐渐发生去磷酸化,并逐渐分布在细胞质中对转运RNA进行剪切,导致大量微小RNA片段产生。值得一提的是,血管生成素上的丝氨酸28位点(Ser28)正是介导血管生成素磷酸化的位点。通过标志物染色实验,研究团队发现Glu-5’tsRNA-CTC聚集在神经元的线粒体中,在仔细比较了线粒体各结构中Glu-5’tsRNA-CTC的含量后,确定Glu-5’tsRNA-CTC主要集中在线粒体基质中。


令人惊奇的是,线粒体中完全没有血管生成素的存在,这说明Glu-5’tsRNA-CTC肯定是通过别的方式进入到线粒体中的,而不是直接在线粒体中被剪切而成。RNA探针和质谱分析给出了答案,在细胞质中合成的亮氨酸转运RNA合成酶2正是结合Glu-5’tsRNA-CTC帮助其进入线粒体的“帮凶”,亮氨酸转运RNA合成酶2结合到Glu-5’tsRNA-CTC的UUA位点后,Glu-5’tsRNA-CTC借助亮氨酸转运RNA合成酶2被线粒体吞入到线粒体基质中。然而这种结合却阻止了亮氨酸转运RNA合成酶2与它原本的“同伴”——线粒体亮氨酸转运RNA,因为Glu-5’tsRNA-CTC提前霸占了结合位点,使得线粒体亮氨酸转运RNA无法正常氨基酰化(图2)。

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亮氨酸存在于众多线粒体基因组编码的蛋白质中,由于Glu-5’tsRNA-CTC的干扰,使得亮氨酸无法正常氨基酰化,导致线粒体蛋白质无法正常翻译产生。在前文也提到了,随着衰老的过程,线粒体嵴会逐渐回缩到线粒体内膜上,利用Glu-5’tsRNA-CTC敲除小鼠和透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM),研究团队发现,线粒体嵴的回缩正是由于Glu-5’tsRNA-CTC引起线粒体蛋白质无法正常翻译导致的。而这最终也导致了线粒体功能受到影响。


谷氨酸是神经元间信号传导最常见的一类兴奋性神经递质,从突触前膜释放,被突触后膜上的谷氨酸受体识别激活下游信号。而突触前膜中谷氨酸的合成过程中最后一环便是由谷氨酰胺酶催化谷氨酰胺转变为谷氨酸,而谷氨酰胺酶便是定位在线粒体嵴上。因此,当衰老最终导致线粒体嵴结构异常后,使得谷氨酰胺酶的泛素化程度增加,导致大量谷氨酰胺酶被降解而含量下降,最终使得突触间的谷氨酸含量下降,使得小鼠的记忆能力也显著下降。以上结果除了直接说明Glu-5’tsRNA-CTC的升高与衰老导致的记忆缺陷有直接关联,也提示了降低Glu-5’tsRNA-CTC的含量可以保护衰老小鼠免受线粒体功能障碍,谷氨酸代谢障碍和记忆功能障碍的影响(图3)。

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图3 Glu-5’tsRNA-CTC病理作用示意图


除了在小鼠上进行一系列研究外,研究团队也在老年灵长类动物(恒河猴和人类)大脑中发现了Glu-5’tsRNA-CTC的含量上升。这些现象更进一步提示了Glu-5’tsRNA-CTC可能就是一个治疗衰老相关记忆障碍的潜在靶点。因此,研究团队设计了针对Glu-5’tsRNA-CTC的反义寡核苷酸(antisense oligonucleotide,ASO)来进行治疗。反义寡核苷酸是一种化学合成的寡核苷酸,通常长度为12-30个核苷酸,能够通过碱基配对规则与目标RNA进行配对结合,从而促使目标RNA进行降解或断裂,或占据住目标RNA的结合位点,使其无法正常翻译,从而起到抑制作用。研究团队成功利用Glu-5’tsRNA-CTC反义寡核苷酸在小鼠上起到了理想的治疗效果。当然,尽管研究团队在Glu-5’tsRNA-CTC这个转运RNA来源的微小RNA片段研究上取得了重大的突破,但实际上细胞中的微小RNA片段还有许多,不排除其它微小RNA片段也在生理或病理状态起着重要作用,也许在未来多种微小RNA片段的反义寡核苷酸联用不失为一种较好的治疗手段。






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