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【科研前线】“自私的”线粒体证实与多种疾病有关

日期: 2016-07-20
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  一些与线粒体DNA突变相关的疾病

  线粒体异常导致的疾病会以各种不同的形式出现,个体之间的差异很大。

  线粒体是存在于细胞中的一种特殊细胞器,它可以产生维持细胞运转的大部分化学能量。线粒体功能异常与很多疾病相关,包括自闭症、精神分裂症、老年痴呆症、帕金森病、癫痫、中风、癌症、慢性疲劳综合症和心血管疾病。

  引起线粒体异常的因素很多。然而,线粒体DNA突变(mtDNA)的作用最大。现在,美国范德堡大学的研究人员发现,mtDNA的“自私”行为会导致多种疾病,mtDNA会采取伤害宿主细胞的方式来获取自己的利益。

  研究人员发现了特殊的分子机制,“自私”的mtDNA使用这种机制逃避细胞对线粒体活动的控制。对这种分子通路的理解可以帮助研究人员开发出针对线粒体相关疾病的治疗方法。

  线粒体疾病的流行

  范德堡大学的生物学助理教授Maulik Patel说:“大约每200名新生儿中就有一名遗传潜在的线粒体相关疾病,这些疾病将在成年后显现症状,发病率是五千分之一。”

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  他们的研究结果发表在7月12日的《Cell Metabolism》上,文章名为“Homeostatic responses regulate selfish mitochondrial genome dynamics in C. elegans”。

  Patel说:“一旦我们知道了突变线粒体破坏细胞管理的机制,就可以开发出针对这种分子通路的药物,以防止突变扩散。”

  线粒体是真核细胞的主要特征之一。一般理论上认为,线粒体是由细菌发展进化而来,它可以将高毒性的氧分子转化为能源,这种能力是原核细胞所不具备的。

  细胞的动力工厂

  尽管独立的线粒体以其“细胞动力工厂”的作用而著名,但是它们也参与许多其它的细胞操作,包括细胞循环和生长。

  线粒体的独特之处在于,它们在内共生的过程中仍然保留了自己的DNA。比起大规模人类基因组,线粒体的基因组非常小,是母系遗传包含一个由37个基因组成的封闭环。

  不同种类的细胞中mtDNA副本的数量不同。比如,人类血液细胞中根本没有mtDNA,而肝细胞中有成千上万的mtDNA副本。

  正常细胞中,所有的mtDNA副本都相同。然而,细胞包含可以破坏功能异常的细胞成分的分子机制,包括线粒体。这就导致,这些细胞器可以被快速地复制和破坏,从而mtDNA的数量会上升。如果达到很高的水平,就会致病。

  线粒体疾病的独特性质

  线粒体疾病有一些独特的性质。Patel说:“细菌感染的形式是全有或全无,而线粒体感染则是从零到百分之百都可能。这使得线粒体疾病有多种症状,因个人差异而各不相同。”此外,线粒体疾病会由母亲遗传给孩子,多发于晚年。

  Patel和他的同事使用透明的秀丽隐杆线虫研究了线粒体疾病的本质,探究了包括人类的多细胞有机体发展的基本过程和行为。

  突变的mtDNA 如何破坏细胞的管理控制机制

  研究人员发现,细胞会激活两种特定的响应用于对付线粒体功能异常。然而,这些响应非故意地使突变的mtDNA进一步增殖和扩散。Patel说:“从这个角度看,突变mtDNA可以被认为是一种自私的实体,它们会利用细胞的管理控制机制为自己的进化利益服务。”

  线粒体基因组的数量

  细胞知道它们所拥有的正常线粒体基因组数量。这使得细胞可以在需要更多能量的时候生成更多的线粒体。研究人员发现的证据表明,一些突变的线粒体基因组可以逃避细胞的“计数器”。结果导致,细胞在为了得到更多能量的过程中生成了更多的突变基因组副本。

  线粒体未折叠蛋白响应

  线粒体细胞持续地监控着它们的健康状况。当它们检测到线粒体功能异常时,细胞尝试使用一个名为“线粒体未折叠蛋白响应(mitochondrial unfolded protein response)”的过程修复问题。除了缓解线粒体功能异常之外,这个过程还可以保护线粒体不被细胞的分解机制破坏。研究人员发现了证据表明,某种突变线粒体可以激活这种响应,这就会导致细胞会容忍它们的存在,并使得mtDNA可以增殖。

  Patel说:“这就是突变线粒体基因组利用细胞防御达到‘自私’目的的两种情况。”

文章来自中国生物技术网

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