最近,由一位先驅科學家開展的新研究,詳細闡述了線粒體功能的微小變化,如何能導致一系列常見的代謝性和退行性疾病。線粒體是我們細胞內產生能量的微小結構,含有自己的DNA。相關研究結果發表在最近的《PNAS》雜志。
這項新研究表明,每個細胞中幾千個線粒體DNA內的突變體和正常線粒體DNA比率如果發生微小變化,會導致核DNA內許多基因的表達發生突然的變化。
本研究負責人、費城兒童醫院線粒體和表觀醫學中心主任Douglas C. Wallace博士指出:“這些研究表明,相同線粒體DNA突變的細胞比例如果發生微小變化,可導致各種不同的臨床表現,這些研究向傳統模型——一個單個突變導致一種單一的疾病——發出了挑戰。該研究對理解代謝性和神經退行性疾病,如糖尿病、阿爾茨海默氏病、帕金森氏病和亨廷頓舞蹈病以及人類衰老,提供了關鍵的見解。”
Wallace說:“線粒體DNA突變水平的小幅增加引起的核基因表達的離散變化,類似于給冰加熱所造成的相變。當加熱時,冰突然變成水,隨著更多的熱,水突然變成蒸汽。”這里,一個量變(線粒體DNA突變比例的增加)可導致一個質變(核基因表達的同等變化,連同臨床癥狀的離散變化)。
線粒體,以數百或數千個拷貝,存在于每個細胞核外面,線粒體有它們自己的DNA,不同于細胞核內眾所周知的DNA。雖然線粒體DNA(mtDNA)比核DNA具有更少的基因,但是mtDNA可與核DNA交換信號,并參與生命必不可少的復雜生化反應網絡。
Wallace當前的研究停留在,調查40多年來的線粒體奧秘。在1988年,他首次證明,線粒體DNA突變可引起人類疾病。他繼續進行了大量研究,調查mtDNA突變通過破壞身體能量生產從而引發罕見和常見疾病的作用機制。
在目前的研究中,Wallace的研究小組調查了線粒體DNA一個特殊堿基中穩步增長的致病突變水平所產生的影響。
研究人員已經知道,如果人線粒體DNA的10%到30%含有這個突變,那么這個人可能會患糖尿病,有時候是自閉癥。具有50%到90% mtDNA突變水平的人,會患上其他多系統疾病,特別是MELAS綜合征,這種嚴重疾病包括大腦和肌肉損傷。超過90%的水平,患者死于嬰兒期。
當前的研究是在體外培養的人類細胞中進行,Wallace及其同事們分析了具有不同水平的這種致病mtDNA突變的細胞,以確定它對細胞基因表達的影響。研究人員測量了細胞結構和功能、核基因表達和不同蛋白質生產的變化。
Wallace說:“線粒體突變會損壞它們產生能量的能力,線粒體會向細胞核發出遇險信號。但是,細胞核僅以數量有限的方式做出反應。”這些反應可能體現在,對患者離散的、深刻的影響。
研究結果可以延伸至一般情況
Wallace認為,這項研究的醫學意義,可以延伸到相對罕見疾病(通常被分類為線粒體疾病)的范圍以外。基因表達譜—— mtDNA突變觸發大腦疾病的基因活動模式,類似于阿爾茨海默氏病、帕金森氏病和亨廷頓氏病中發現的結果。Wallace說:“這項研究結果提供了有力證據證明了一個概念,即,常見的代謝性疾病,如糖尿病和肥胖、心臟和肌肉疾病以及神經退行性疾病,根源都在于故障線粒體的能量不足。因此,這一概念,將以前被認為彼此完全分離的一組疾病集合在一起。”
值得注意的是,Wallace補充說,這項研究還與衰老有關。因為線粒體突變會隨著年齡的增長而積累,線粒體能量生產下降,會對心臟、大腦和維持健康和生命的相關生物系統,產生有害影響。
Wallace稱,該研究下一步包括,調查不同的疾病與當前細胞研究中發現的各種急劇相變,有何關系。當前研究中發現的一些細胞變化、信號模式和蛋白質活性水平,可能成為疾病研究和藥物開發的有用生物標志物。他補充說:“例如,對可能逆轉線粒體DNA突變細胞基因表達譜變化的潛在藥物進行臨床前篩選,可能揭示出新的治療方法。”
Wallace目前的研究鞏固了他職業生涯中所提出的論點,即線粒體在所有常見人類疾病中發揮一個主要的、但很大程度上未被發現的作用。他一直認為,傳統的生物醫學方法集中于解剖學和個別器官,并不能提供系統生物學、生物能學集中方法產生的見解。
Wallace的模式轉變假設,在生物醫學中仍有爭議。他說,這項最新研究意味著,常見疾病的復雜性,根源在于mtDNA突變中持續的線性變化和核基因表達中不連續的突然相變之間,斷開了聯系。如果他關于線粒體作用的整體言論爭取到了更廣泛的接受,目前的研究結果可能會對我們了解和治療疾病,提供有用的通用工具。
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