研究發現線粒體DNA突變引發小腸衰老的全新通路與逆轉方案

　　近日，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國課題組在《自然-通訊》（Nature Communications）上，發表了題為NAD+

　　dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations9的研究成果。該研究發現老齡動物的腸中線粒體DNA低頻點突變（0.005-0.05）的特異積累。利用動物模型和類器官技術論證線粒體DNA突變累積，導致腸道衰老過程中NADH/NAD+氧化還原態的消耗，并通過激活轉錄因子5（ATF5)依賴的線粒體未折疊蛋白反應（UPRmt）激活，損傷Wnt/β-catenin信號和耗竭腸干細胞以引發腸衰老，并進一步開發出通過補充NAD+前體NMN（煙酰胺單核苷酸）的逆轉衰老方案。

　　自古以來，腸道的器官穩態失衡被認為與個體衰老密切相關。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胞和隱窩中的干細胞組成。腸干細胞可以分化為不同的上皮細胞，從而形成有序的腸道結構，以維持腸道穩態和吸收、分泌、屏障與抗微生物功能等基本功能。然而，腸衰老的標志物和應答信號通路尚不清楚。目前，研究認為線粒體功能障礙是細胞衰老的重要原因。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控腸衰老？這是未知之謎。

　　該團隊揭示了自然衰老動物的腸線粒體DNA突變隨年齡變化的規律，并鑒定了類型為線粒體DNA低頻點突變（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。這是廣泛應用研究線粒體DNA突變引發衰老的實驗模型。研究通過POLG突變小鼠和野生型鼠產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，主要積累低頻點突變（0.005-0.05）。研究結合腸類器官技術和腸干細胞內源標記技術發現，相同月齡下僅POLG突變純合子小鼠更早出現了腸衰老的表型，展示出腸類器官分化程度低和腸干細胞數量銳減的現象，說明高負擔的線粒體DNA突變可促進腸衰老的發生。這為腸衰老提供了線粒體DNA低頻點突變（0.005-0.05）這一新的生物標記。

　　該研究通過多組學分析和實驗，聚焦到線粒體相關的通路。NADH/NAD+氧化還原態的消耗導致腸功能中發揮重要作用的Wnt/β-catenin信號衰減。進一步，研究通過NAD+前體NMN回補挽救了腸衰老表型，包括腸類器官分化和腸干細胞數量在一定程度上的恢復。研究發現，高負擔的線粒體DNA突變導致NAD+缺失，激活了轉錄因子ATF5依賴的UPRmt這一全新通路，促進和加劇了腸衰老表型的發生。UPRmt被各種線粒體應激激活，包括線粒體與細胞核的蛋白失衡和線粒體蛋白運輸障礙等。UPRmt的標志是LONP1、HSP60和ClpP蛋白表達增加。而線粒體DNA突變引發的衰老UPRmt激活中，僅有LONP1蛋白特異上調，為腸衰老提供了候選標志物。

　　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系的基本問題，鑒定了線粒體DNA低頻點突變（0.005-0.05）與LONP1 蛋白特異上調兩個標志物，發現了從線粒體DNA突變，到線粒體反向信號、干細胞耗竭、細胞間信號，再到器官衰老的多層次時空機制，為延緩腸衰老提供了全新的思路、靶點和策略。

　　該研究由廣州健康院、廣州醫科大學、中國科學院香港創新研究院（籌）、香港中文大學和新西蘭奧克蘭大學等合作完成。研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的支持。