線粒體D N A延緩衰老的研究進展

呂成林

(曲阜師范大學 生命科學學院，山東 曲阜273165)

人體內存在兩套基因組，一套是位于細胞核內的核基因組(nuclear genome)，另一套是位于細胞質線粒體中的線粒體基因組(mitochondrial genome)。作為線粒體基因的載體，線粒體DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）是人體細胞內唯一的核外遺傳物質，它存在于細胞器線粒體中，能自主復制。

1 線粒體DNA（mtDNA）的結構與功能

1.1 mtDNA的結構

mtDNA是雙鏈超螺旋環狀分子，堿基組成為A.T.G和C，長度為 16.6kb，分子量多在 1×106-200×106之間，具有自我復制、轉錄和翻譯的功能，兩條鏈中重鏈（H鏈）富含G堿基；輕鏈（L鏈）富含C堿基。mtDNA的可以進行θ型復制、滾環復制或D環復制。基因組含有37個基因，其中13個為蛋白質基因（包含1個細胞素b基因，2個ATP酶復合體組成成分基因，3個細胞色素C氧化酶亞單位的基因及7個呼吸鏈NADH脫氫酶亞單位的基因），2個rRNA基因，還有22個tRNA基因。

1.2 mtDNA的功能

mtDNA的功能是編碼氧化磷酸化體系中四個呼吸鏈復合物內的13個亞單位，以及12S、16SrRNA和22個tRNA，全部參與線粒體內膜呼吸鏈復合體氧化磷酸化能量代謝過程，合成ATP為細胞提供能量[1]。

2 mtDNA與衰老的關系

Harman首先提出衰老的自由基假說，之后又提出在人類衰老的過程中mtDNA是自由基攻擊的主要目標。20世紀80年代初，Miquel等提出“細胞衰老學說”，認為衰老是由于氧自由基攻擊mtDNA而引起的一個生物過程。此后十余年來，隨著mtDNA分子生物學研究的深入，mtDNA在衰老中的作用逐漸被人們所認同。近年來，研究者提出線粒體衰老學說，認為線粒體結構、功能上有許多變化，與腦、心臟、肌肉、內分泌系統及其他組織和衰老有關的功能下降有密切關系，并可能進一步引起機體自由基平衡的破壞，逐步導致全身性生理功能的下降，并認為mtDNA突變在衰老過程中起核心作用[2]。

衰老過程中呼吸鏈功能下降與mtDNA突變有關。mtDNA位于線粒體內膜基質側，鄰近活性氧（Reactive Oxygen Species,ROS）產生部位，電子呼吸鏈在傳遞過程中產生的ROS易引起mtDNA氧化損傷。目前認為，mtRNA較易發生突變，其突變幾率是核DNA的10倍以上。而ROS損傷是衰老時mtDNA突變的主要原因。由于氧自由基對mtDNA損傷的積累，受損mtDNA分子及無活性的氧化磷酸化有關酶復合物隨年齡的增長日見增多，使呼吸鏈功能減退，正常功能線粒體減少，ATP平均產量與總產量皆有下降，這是生物衰老與一些老年退行性疾病的發病基礎，研究發現：線粒體磷酸化系統中產生的自由基隨年齡而逐漸增加，當積累到一定程度時就會傷mtDNA的復制、線粒體tRNA（轉移核糖核酸）和rRNA（核糖體核糖核酸）的生成及蛋白質合成等一系列過程，從而導致線粒體結的改變和功能的退化，最終影響ATP（三磷酸腺）的生成，能量供應不足而使機體代謝能力下降，發生一系列衰老變化。

正常人體衰老過程中，mtDNA的缺失突變會因細胞內mtDNA的大量拷貝而逐漸積累。不同組織衰老過程中mtDNA缺失突變積累的量不盡相同。但在mtDNA發生缺失的數量與CytC氧化酶活力的降低之間始終存在直接關系。骨骼肌是mtDNA缺失最多見的一種靶組織。大鼠腦及心臟也存在mtDNA突變積累。在大鼠肝臟中沒有觀察到類似結果。有學者認為，5kb的mtDNA缺失加上其它mtDNA突變，就有可能達到線粒體氧化磷酸化功能降低的閾值。盡管線粒體DNA突變在衰老組織中已被廣泛觀察到，但mtDNA突變多大程度參與了線粒體功能的退行性變化及其在衰老進程中的意義尚不十分清楚。

3 mtDNA在運動延緩衰老中的作用

研究衰老的最終目的是為了延緩衰老，這不僅是生命科學、基礎醫學和預防醫學研究的熱點，也是運動醫學所關注的研究領域。盡管有關衰老的學說眾說紛紜，尚無明晰的定論，但線粒體功能的改變在細胞、組織和器官衰老過程中的作用和意義是不容忽視的。運動醫學領域大量研究已證實長期有氧運動訓練，可使線粒體產生適應變化，提高氧化磷酸化功能。

機體衰老的一個重要標志是最大有氧工作能力的下降，表現在最大攝氧量隨增齡而降低。其中，線粒體年齡依賴性的氧利用能力的降低、功能下降可能是重要的限制因素之一。眾多相關研究表明，運動特別是有氧運動訓練可提高機體的有氧代謝水平，增進有氧工作能力。近期有關運動與衰老的研究表明，運動訓練可提高衰老大鼠線粒體基質酶及呼吸鏈酶活性。Brierley等人的研究結果表明線粒體酶活性與身體活動相關。身體活動減少可能是線粒體功能隨衰老而下降的重要原因[3]。Ji等人觀察到老年大鼠股外側肌檸檬酸合成酶和蘋果酸合成酶活性明顯降低，10周跑臺訓練后酶活性分別提高71%和48%[4]。Tate等人的研究表明衰老大鼠心肌線粒體CytC氧化酶活性與成年大鼠相比明顯下降，8～10周跑臺訓練后，CytC氧化酶活性顯著增高[5]。Berthon對14名55到73歲的老人進行了研究，受試者每天以80%左右最大心率進行1小時功率自行車運動，每周4天。訓練6周后最大攝氧量有顯著增加。肌外側肌活檢表明檸檬酸合酶和線粒體ATP合成速率明顯增加，且二者增加百分比之間顯著相關。衰老個體線粒酶活性的提高直接反映了線粒體功能的改善[6]。

長期有氧運動訓練，可使線粒體產生適應性變化，包括線粒體體積和數目的增加，酶合成增加，活性提高，而酶活性的提高直接反應了線粒體功能的改善，運動訓練提高線粒體酶活性可能與mtDNA的表達有關。對運動員所做的研究表明，運動訓練可提高mtDNA編碼的mRNA（包括CytG氧化酶亞單位Ⅳ、βF1亞基、FDH）。廣州體育學院生化教研室的盧健等人通過實驗證實有氧運動可以減少衰老小鼠mtDNA變異的發生，從而起到延緩衰老的作用。天津體育學院馬力宏等人對27名少年女子運動員mtDNA調控區遺傳多態性進行了分析，同時還測定了所有受試者的VO2max。研究發現，在27名運動員中出現8種多態類型。其中4名VO2max較高的受試者攜帶的典型與優秀耐力運動員持有類型相同。這一結果顯示出這種特有類型可能與人體有氧運動能力關聯。

從衰老的自由基學說出發，運動性抗氧化能力的增強可能在預防衰老進程中線粒體的氧化損傷有十分重要的作用。Sugiyama等人以加入0.2%輔酶Q（CoQ）的飼料喂養大鼠，38周后觀察CoQ飲食可延緩大鼠骨骼肌線粒體復合物Ⅰ、Ⅳ酶活性隨年齡的下降。作者認為由于CoQ具有清除自由基作用，可避免mtDNA中dG被氧化為8—OH—dG，從而減少了mtDNA的缺失，起到了保護酶活性的作用[7]。

4 展望

綜上所述，適量運動可以提高機體有氧工作能力，減少mtDNA的突變，增進線粒體氧化磷酸化功能，延緩衰老。但運動延緩衰老的作用機理，如線粒體在運動延緩衰老中的作用及其確切機制，衰老進程中最大有氧能力退行性改變與線粒體功能變化和衰老的關系等尚不清楚。這不僅說明在mtDNA延緩衰老的研究方面還有很長的路要走，也預示著mtDNA對于延緩衰老具有更大的調控能力。

［1］李琳，邵金陵，段小紅，等.復合PCR擴增人mtDNA HVR方法的初探[J].現代生物醫學進展，2013，13（7）：1360-1363.

［2］時慶德，張勇.線粒體DNA：衰老研究的新突破[J].中國運動醫學雜志，2003，22（4）：383-386.

［3］Brierley E J,Johnson M A,James O F,et al.Effects of physical activity and age on mitochondrial function[J].Q.J.M.1996,89:251-258.

［4］Ji L L,Wu E,Thomas D P,et al.Effect of exercise on antioxidant and metabolic function in rat skeletal muscle[J].Gerontology.1991,37:317-325.

［5］Tate C A,Helgason Y,Hyek M F,et al.SERCA2a and mitochondrial cytochrome oxidase express are increased in hearts of exercise_trained old rats[J].Am.J.Physiol.1996,271(1 pt2):H68-74.

［6］Berthon P,Freyssenet D,Chatard J C,et al.Mitochondrial ATP production rate in 55 to 73_year_old men:effect of endurance triaining[J].Acta.Physiol.Scand.1995,154:269-274.

［7］Sen C K.Oxidants and antioxidants in exercise[J].J.Appl.Physiol.1995，79:675-686.