衰老過程中線粒體DNA修復(fù)功能的研究

1、第27卷 第4期V o.l27,N o.4體育成人教育學(xué)刊Jou rnal of Sports A dult Educati on2011年8月A ug.,2011衰老過程中線粒體DNA修復(fù)功能的研究易 軍(重慶郵電大學(xué)體育學(xué)院,重慶400063摘 要:對衰老過程中線粒體DNA修復(fù)功能的研究現(xiàn)狀及進展進行探討,分析了線粒體DNA修復(fù)在衰老過程中的作用和可能機制,包括衰老過程中活性氧生成及線粒體抗氧化體系的變化,線粒體DNA修復(fù)酶OGG1的可能作用機制。關(guān)鍵詞:衰老過程;線粒體DNA;修復(fù)功能中圖分類號:G804.2 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672 268X(201104-051-03Res

2、earches of repairi ng f uncti on ofm itoc hondrialDNA i n aging processY I Jun(Sport Co ll ege,Chongq i n P ost and T e lecomm un i cati on U niv.,Chongq i n400063,Chi naAbstrac t W ith the resea rch m ethod o f literature study,t he paper d i scusses the current researches of repa iring f unc ti on

3、 o fm i tochondria lDNA and its deve l op m ent.The paper ana l y ses the repair i ng f uncti on o fm it o chondrial DNA i n the ag i ng process and its possi b l e m echan is m,i nclud i ng the produc ti on o f reacti ve oxygen spec i es i n t he ag i ng pro cess,the chang es of t he m itochon dr i

4、 a l antiox ida ti on syste m and the poss i ble f unctiona lm echanis m of repa iring enzy m e OGG1o fm itochondr i a l DNA.K ey word s ag i ng;m itochondr i a l DNA;repa ir高等生物衰老是一個非常復(fù)雜的、漸進的生物學(xué)過程,涉及細(xì)胞、組織、器官的多種特異的生物大分子反應(yīng)。衰老的線粒體理論認(rèn)為,在生物生命周期中,體細(xì)胞線粒體DNA損傷的進行性積累導(dǎo)致了線粒體生物能量學(xué)功能的下降,直接導(dǎo)致了人類的衰老的產(chǎn)生。近期,線粒體DNA修

5、復(fù)功能發(fā)現(xiàn)表明在衰老和修復(fù)之間存在著密切的聯(lián)系,這方面的研究已成為當(dāng)前研究衰老機制的一大熱點,本文就衰老過程中線粒體DNA修復(fù)功能研究進展綜述如下。1 線粒體衰老理論概述線粒體通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP提供主要的生命所需能量,同時,線粒體也是機體生理及病理條件下細(xì)胞內(nèi)RO S 和自由基的主要發(fā)生部位,通常認(rèn)為線粒體功能的紊亂以及RO S產(chǎn)物的增加是衰老過程中重要的影響因素。H ar m an首先提出了衰老的自由基理論,他認(rèn)為,作為有氧代謝的副產(chǎn)物,氧自由基引起了氧化損傷的累積,最終導(dǎo)致了衰老及與衰老相關(guān)的疾病,線粒體在衰老過程中扮演著重要的角色,因為線粒體是氧自由基產(chǎn)生的主要的細(xì)胞器而直接受到氧

6、自由基的攻擊。人類細(xì)胞中有數(shù)以百計的線粒體,線粒體基因組編碼了13個多肽,組成了呼吸鏈酶復(fù)合物,而這些復(fù)合物是氧化磷酸化系統(tǒng)所必須的,體細(xì)胞的線粒體DNA突變也許直接和RO S產(chǎn)生的惡性循環(huán)及衰老機制有關(guān)。L i nnane等人在1989年提出,線粒體DNA突變是人類衰老和退行性疾病的主要原因。在這種線粒體研究趨勢下,衰老的自由基理論擴展到了衰老的線粒體理論。線粒體衰老理論認(rèn)為在個體的生命周期中,體細(xì)胞線粒體DNA的進行性積累引起了線粒體生物能量學(xué)功能的下降,導(dǎo)致了衰老的產(chǎn)生。在正常的生理狀態(tài)下,線粒體呼吸鏈電子傳遞過程中產(chǎn)生的ROS處于一種非常低的水平,ROS對線粒體DNA的氧化損傷可能導(dǎo)致

7、了DNA鏈的斷裂以及體細(xì)胞線粒體DNA突變的發(fā)生。線粒體DNA突變的累計也許引起了呼吸鏈功能的紊亂,進而導(dǎo)致線粒體中RO S的增加以及更多的線粒體DNA突變的累計,這種惡性循環(huán)致使衰老過程中氧化損傷累積性增加,進而導(dǎo)致了細(xì)胞和組織功能的進行性下降。2 衰老過程中活性氧生成的變化大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)的RO S產(chǎn)生于線粒體呼吸鏈氧化反應(yīng)。呼吸鏈復(fù)合物I和復(fù)合物III是線粒體呼吸鏈中ROS產(chǎn)生的主要位點。通過試驗已觀察到雙翅類昆蟲的平均生命周期,與組織細(xì)胞線粒體中的超氧陰離子和過氧化氫的產(chǎn)生比率呈負(fù)相關(guān)。而且,線粒體RO S增加的比率隨著衰老而增加。DNA的氧化損傷引起了嘌呤堿和嘧啶堿的變構(gòu)、單鏈及雙鏈斷裂

8、以及與其他分子的交聯(lián)。隨著衰老進程,組織細(xì)胞中核DNA和線粒體DNA結(jié)構(gòu)的改變顯著增加。哺乳動物線粒體DNA的幾個特點使其具有對氧化損傷的高度敏感性。包括:接近線粒體ROS產(chǎn)生的位點、缺少組蛋白的保護以及線粒體損傷修復(fù)能力的限制。有文獻報道線粒體DNA的氧化性變形比核DNA更為嚴(yán)重。有研究發(fā)現(xiàn)伴隨衰老進程,心肌和膈的線粒體DNA氧化性變形明顯增加。通過多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)測定特定的DNA損傷基因的研究發(fā)現(xiàn),損傷的核苷酸阻斷了DNA多聚酶的功能,導(dǎo)致了目標(biāo)序列的擴增減少。在線粒體膜磷脂中的多不飽和脂肪酸對氧化作用非常敏51感,羥自由基是最能誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化的因素之一。研究表明衰老過程中線粒體內(nèi)大量的脂質(zhì)

9、過氧化反應(yīng)明顯增加。有研究證實鐵誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化改變了線粒體呼吸鏈氧化磷酸化反應(yīng)、內(nèi)膜屏障作用、線粒體跨膜電位和線粒體緩沖鈣的能力。磷脂中的心肌磷脂只在線粒體中出現(xiàn),且主要存在于線粒體內(nèi)膜,心肌磷脂所必需的高度不飽和特性的脂肪酰鏈,使許多包含在線粒體呼吸鏈中的蛋白處于最佳功能。已有實驗證明,增加的線粒體ROS也許導(dǎo)致了氧化作用和心肌磷脂的缺失,抑制了細(xì)胞色素C氧化酶活性,心肌磷脂的過氧化作用表明內(nèi)膜的屏障作用受損,以及使細(xì)胞色素C更容易從線粒體電子傳遞鏈中分離。氨基酸殘基的直接氧化作用促進了蛋白硫氫基團或羰基構(gòu)成的變化,改變了蛋白結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了正常功能的丟失,有證據(jù)顯示在衰老過程中線粒體內(nèi)被氧化

10、修飾的蛋白數(shù)量明顯增加。對不同年齡段的人類皮膚成纖維細(xì)胞的研究表明,老年人比青年人的成纖維細(xì)胞有更高的蛋白氧化水平。有研究表明,衰老大鼠組織中線粒體谷胱甘肽被顯著的氧化,研究發(fā)現(xiàn)衰老過程中肝臟、腎臟和腦內(nèi)氧化性谷胱甘肽和還原性谷胱甘肽的比率以及氧化修飾的線粒體DNA 內(nèi)容物之間的比率同時增加。有研究表明衰老的動物的線粒體蛋白中,順烏頭酸腺嘌呤核苷酸移位酶是氧化損傷的首選目標(biāo),線粒體順烏頭酸酶對超氧陰離子有高度的敏感性,在其活性部位使硫鐵簇失活。3 衰老過程中抗氧化體系的變化在進化過程中,哺乳動物細(xì)胞發(fā)展了一系列的抗氧化酶,以對抗和清除正常生理條件下有氧代謝產(chǎn)生的RO S,這些酶包括錳超氧化物歧

11、化酶(M nS OD、銅、鋅超氧化物歧化酶(Cu/ZnSOD、過氧化氫酶(CAT、谷胱甘肽過氧化氫酶(GPX、谷胱甘肽還原酶(GR。M nS OD和Cu/ZnS OD將超氧陰離子轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2,然后通過G PX和CAT轉(zhuǎn)變?yōu)樗＿€原型谷胱甘肽被用來保護蛋白的硫氫基團以及維持細(xì)胞適宜的氧化還原梯度。氧化型谷胱甘肽通過GS H轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型谷胱甘肽或其他小分子量的巰基化合物蛋白,如硫氧還蛋白。在正常的生理條件下這些抗氧化酶和蛋白與其他小分子量的抗氧化物能清除RO S和自由基。然而,過量的ROS產(chǎn)物也許能破壞抗氧化防御系統(tǒng)而產(chǎn)生氧化損傷,已有證據(jù)指出隨著衰老的進行,在人類皮膚成纖維細(xì)胞中,Cu/ZnS

12、OD、CAT和G PX活力降低了,但M nSOD隨著年齡到65歲仍增加,而后才逐漸降低。一般認(rèn)為在衰老過程中抗氧化能力的降低和自由基清除酶表達的不平衡導(dǎo)致了氧化應(yīng)激的增加以及組織細(xì)胞氧化損傷的發(fā)生。在對一些自由基清除酶缺失的衰老動物的研究中證實了抗氧化酶在衰老過程中的重要性。又研究觀察到基因突變的果蠅Cu/ZnS O D或CAT基因增加了對氧化應(yīng)激的敏感性,降低了存活力,縮短了生命周期。M nS OD缺失的小鼠表現(xiàn)出了新生小鼠的致死現(xiàn)象、擴張性心肌病和肝臟中脂質(zhì)的積累,同時表現(xiàn)出了嚴(yán)重的線粒體功能紊亂,增加了對線粒體的氧化損傷。在衰老進程中線粒體M nS OD部分缺失的小鼠(SOD +/-提供

13、了一個增加的內(nèi)源性線粒體氧化應(yīng)激模型,在整個生命周期所有的組織中這些小鼠減少了30%-80%的線粒體,M nS OD活性并伴隨著低水平的谷胱甘肽,而其他抗氧化酶活性沒有明顯的改變,如Cu/ZnSOD、G PX和C AT。在老年SOD+/-小鼠中盡管線粒體釋放的過氧化氫和野生型小鼠一樣多,但SOD+/-小鼠表現(xiàn)出了嚴(yán)重的氧化損傷。同時觀察到SOD+/-小鼠降低了復(fù)合物I的電子傳遞鏈活性、增加了質(zhì)子漏、降低了呼吸控制比率、線粒體膜電位以及A TP合成活力。這些發(fā)現(xiàn)表明增加的內(nèi)源性抗氧化酶的缺失導(dǎo)致了線粒體呼吸鏈酶系的缺失。4 衰老過程中線粒體DNA的修復(fù)4.1 線粒體DNA的修復(fù)在人類中,線粒體D

14、NA編碼了13個多肽,這13個多肽是氧化磷酸化的主要組成部分,并編碼了線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)合成所必須的2種rRNA(12S和16S和22種t RNA,由于線粒體DNA在能量代謝中編碼蛋白的重要作用,所以這些蛋白的突變或丟失能導(dǎo)致線粒體功能的紊亂、RO S產(chǎn)物的堆積和細(xì)胞凋亡 。圖1 線粒體DNA氧化損傷及修復(fù)K i shor K.Bhaka,t Sanath K.M okkapat,i,and et a.l m olecularand ce llular b i o logy,2006在增齡過程中,線粒體DNA累積了大量的8-羥基-2-去氧鳥嘌呤核苷酸(8-oxoG7,8-d i hydro-8-o

15、xoguanine,普遍認(rèn)為是由ROS引起的,并也成為m t DNA(線粒體DNA氧應(yīng)激損傷的重要標(biāo)志。A錯配為8-oxo G可導(dǎo)致G C T A 的轉(zhuǎn)換突變。一般情況下這種突變可以被切除修復(fù),在核和線粒體中均存在著該途徑。在堿基切除修復(fù)中,8-oxoG被特定8-氧化鳥嘌呤NDA糖基化酶(OGG18-oxoguani ne-DNA g lycosy l ase切除,產(chǎn)生的A P(無堿基位點被AP內(nèi)切核酸酶以及外切核酸酶切除并擴展成一個缺口,該缺口由DNA聚合酶來填補,DNA連接酶將催化最后的磷酸二酯鍵的形成(圖1。通過對O gg1基因缺陷鼠和細(xì)胞的研究表明,OGG1修復(fù)8-ox o G的作用更

16、加明確。O gg l基因缺陷的小鼠與野生型小鼠相比,m t DNA中8-oxoG增長了9倍,而核DNA中只增長2倍,提示對于8 oxoG的清除上,線粒體似乎比核更依賴于OGG1。在此過程中蛋白在線粒體中的定位值得引起我們關(guān)注,線粒體含有內(nèi)外膜,m t DNA在內(nèi)膜的基質(zhì)中,因此m t DNA 修復(fù)酶只有在線粒體基質(zhì)中才能有效的完成m t DNA修復(fù)作用。已有研究表明,雖然衰老時會出現(xiàn)線粒體OGG1活性增高,但實際基質(zhì)中的OGG1活性卻降低了。線粒體的大部分蛋白都是由核基因編碼的,這類蛋白一般都有一個N端的擴52展(N -te r m i na l ex tens i on,其中含有前序列或線粒

17、體靶向序列(m itochondr i a l targeti ng sequence ,M T S。雖然,OGG1-a 前體中同樣含有這一氨基酸殘基,但由于在C 末端含有核定位信號肽(NLS而有作用更強的核定位信號,OGG 1-a 進入細(xì)胞核,而OGG1-b 沒有C 末端的N LS ,因而定位到線粒體。信號肽被線粒體表面的受體識別,引導(dǎo)OGG 1-b 與線粒體外膜的移位酶TOM 結(jié)合,進入線粒體間隙后再與線粒體內(nèi)膜的移位酶T I M 上的位點結(jié)合。最后,線粒體轉(zhuǎn)運馬達(T I M 23復(fù)合體的一部分利用基質(zhì)中的ATP 完成轉(zhuǎn)運過程。進入線粒體后,前序列被定位于線粒體基質(zhì)中的線粒體加工肽酶(m

18、 itochondr i a l processi ng pepti dase ,M PP剪切掉。因此,這些轉(zhuǎn)運酶的改變也會影響到線粒體功能。4.2 線粒體的蛋白轉(zhuǎn)運裝置 TOM 和TI M 復(fù)合體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運涉及多種蛋白復(fù)合體即轉(zhuǎn)位因子(transl o ca t o r,由兩部分構(gòu)成的:受體和蛋白質(zhì)通過的孔道。主要包括: TOM 復(fù)合體,負(fù)責(zé)通過外膜,進入膜間隙,在酵母中TOM 70負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運內(nèi)部具有信號序列的蛋白,TOM 20負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運N 端具有信號序列的蛋白,在人類線粒體中h T om34的功能與TOM 70相當(dāng)。TOM 復(fù)合體的通道被稱為G I P (G enera l i m port

19、 pore G IP ,主要由T om40構(gòu)成,還包括T om22,T om7,T o m 6和Tom5; T I M 復(fù)合體,其中T I M 23負(fù)責(zé)將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運到基質(zhì),也可將某些蛋白質(zhì)安插在內(nèi)膜;T I M 22負(fù)責(zé)將線粒體的代謝物運輸?shù)鞍?如ADP /AT P 和磷酸的轉(zhuǎn)運蛋白插入內(nèi)膜(圖2 。圖2 線粒體的蛋白轉(zhuǎn)運裝置-TOM 和T I M 復(fù)合體(Jo ach i m R assow and N i ko l aus P fanner ,20005 小結(jié)與展望隨著衰老進程,線粒體RO S 增加的比率明顯增加,引起線粒體內(nèi)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)明顯增多、被氧化修飾的蛋白數(shù)量明顯增加。同時,由

20、于哺乳動物線粒體DNA 更接近線粒體RO S 產(chǎn)生的位點、缺少組蛋白的保護等原因,導(dǎo)致線粒體DNA 更易受損。哺乳動物線粒體內(nèi)的一系列的抗氧化酶能對抗和清除正常的生理條件下的RO S ,然而,過量的ROS 產(chǎn)物也許能破壞抗氧化防御系統(tǒng)而產(chǎn)生氧化損傷,累積的8-羥基-2-去氧鳥嘌呤核苷酸(8-oxoG 7,8-di hydro -8-ox oguan i ne能通過堿基切除修復(fù)途徑被特定的8-氧化鳥嘌呤NDA 糖基化酶(OGG 18-oxoguan i ne-DNA g l ycosy lase切除修復(fù)。線粒體m t DNA 存在內(nèi)膜的基質(zhì)中,因此核編碼的OGG 1基因在運輸?shù)骄€粒體內(nèi)膜基質(zhì)的過

21、程中,需要某些 分子伴侶 及線粒體內(nèi)外膜的移位酶T I M 和TOM 的參與,而最終進入線粒體基質(zhì)中的m t DNA 修復(fù)酶才能完成m t DNA 修復(fù)作用。綜上所述,線粒體的衰老與修復(fù)密切相關(guān),為延緩衰老提供了強有力的理論依據(jù),盡管線粒體DNA 修復(fù)為延緩衰老的影響提供了新的理念,但要正確評價修復(fù)機制在衰老研究過程中的作用還有待于進一步的研究。運動及其他方式對線粒體DNA 修復(fù)的作用如何,研究和探討線粒體DNA 修復(fù)在延緩衰老中的作用機理,這些問題將對闡明何種方式作為延緩衰老有效手段具有現(xiàn)實意義,但是目前從分子生物學(xué)基礎(chǔ)上的研究還比較薄弱。參考文獻:1Beckman KB ,Am es B

22、N.T he free rad i ca l theo ry o f ag ing m aturesJ.Physi o l R ev,1998,(78:547-581.2Soha l RS ,M o ckett R J ,O rrW C .M echan is m s of ag i ng :an appra i sal of the ox i dative stress hypothes i sJ.F ree R adic B i o lM ed ,2002,(33:575-586.3HARMAN D.Ag ing :a t heory based on free rad i ca l an

23、d rad iati on che m istryJ.J G eronto,l 1956,(11:298-300.4L innane AW,M arzuk i S ,O za w a T,et a.l M itochondr i a l DNAm utati ons as an i m po rtant con tributor to ag eing and deg enera ti ve d i seasesJ.L ancet ,1989,(1:642-645.5Soha l RS ,Soha l BH,O rr W C.M it o chondrial superox ide andhyd

24、rogen perox i de generati on ,pro tein ox i dati v e da m age ,and longev ity i n different species of fli es J.F ree R adic B i o l M ed ,1995,(19:499-504.6Y akes FM,V an H outen B .M it o chondrial DNA damage i sm ore ex tensi ve and persists l onge r t han nuc l ear DNA da m age i n hu m an ce lls foll ow i ng ox i dative stressJ.P roc N a tlA cad Sc iU S A,1997,(4:514-519.7Soha l RS ,W e i ndruch R.Ox i dati ve stress ,ca l o ric restr i ction ,and ag i ngJ.Sc ience ,1996,(3:59-63.8O rr