線粒體遺傳學(xué)機(jī)制在年齡相關(guān)性黃斑變性中的研究進(jìn)展

王宇松 綜述 孫曉東 審校

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院眼科 上海市眼底病重點實驗室,上海 200080

線粒體是真核細(xì)胞的能量合成及代謝中心,對維持細(xì)胞完整性、調(diào)控細(xì)胞生存與凋亡發(fā)揮關(guān)鍵性作用。線粒體功能障礙嚴(yán)重影響細(xì)胞、組織的能量平衡,是導(dǎo)致年齡相關(guān)性疾病發(fā)生發(fā)展的重要因素[1]。目前發(fā)現(xiàn)線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)損傷及表觀遺傳修飾是衰老相關(guān)線粒體功能障礙發(fā)生的重要原因。研究顯示,線粒體功能障礙及氧化應(yīng)激是視網(wǎng)膜色素上皮損傷、感光細(xì)胞退變及視網(wǎng)膜炎癥中的重要啟動因素,對研究年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD)的病理機(jī)制具有重要生物學(xué)意義[2-3]。本文就線粒體遺傳學(xué)調(diào)控及能量代謝異常在AMD中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 線粒體遺傳學(xué)

1.1 線粒體基因組特征

線粒體由需氧菌和原始真核細(xì)胞之間的共生關(guān)系進(jìn)化而來,是含有多拷貝、16 569 bp環(huán)狀雙鏈mtDNA分子的半自主細(xì)胞器[4]。線粒體基因組編碼13個氧化磷酸化復(fù)合體的功能性蛋白亞基、線粒體蛋白質(zhì)合成所需的22種tRNA和2種rRNA,對維持氧化磷酸化呼吸鏈功能具有重要意義[5]。mtDNA由富含鳥嘌呤的重鏈(H)和富含胞嘧啶的輕鏈(L)組成,基因排列緊湊、存在基因重疊現(xiàn)象,缺乏內(nèi)含子結(jié)構(gòu);雙鏈分子不與組蛋白纏結(jié),類核區(qū)可檢測到線粒體單鏈DNA結(jié)合蛋白、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A、mtDNA聚合酶、TWINKLE以及RNA聚合酶等蛋白分子,穩(wěn)定mtDNA結(jié)構(gòu)并調(diào)控mtDNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及損傷修復(fù)等生理過程[6]。值得注意的是,線粒體基因組不結(jié)合組蛋白且無完善的核酸修復(fù)系統(tǒng),在線粒體內(nèi)膜呼吸鏈的影響下,mtDNA易發(fā)生氧化損傷及突變。

1.2 線粒體基因損傷及修復(fù)機(jī)制

線粒體電子傳輸鏈的氧利用度有限,約2%～5%的氧氣無法完全還原而導(dǎo)致活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)和超氧化物的生成,其生成過量將導(dǎo)致mtDNA損傷[7]。mtDNA損傷包括DNA單鏈斷裂、雙鏈斷裂、鏈間交聯(lián)和堿基修飾及替換等,使線粒體在細(xì)胞、細(xì)胞器水平具有基因異質(zhì)性。然而,多拷貝特征使線粒體基因組損傷的致病性存在閾值效應(yīng),即突變型mtDNA約達(dá)80%時細(xì)胞出現(xiàn)代謝障礙[6]。mtDNA突變發(fā)生后,線粒體擁有獨特的融合機(jī)制和基因修復(fù)機(jī)制輔助去除突變型mtDNA拷貝,維持氧化磷酸化功能。線粒體融合機(jī)制涉及融合蛋白介導(dǎo)外膜融合和視神經(jīng)萎縮蛋白1介導(dǎo)的內(nèi)膜融合過程[8];而mtDNA損傷修復(fù)機(jī)制主要包括糖基化酶、AP內(nèi)切酶及DNA聚合酶γ介導(dǎo)的堿基切除修復(fù)、hMSH2及Y-box結(jié)合蛋白1介導(dǎo)的錯配修復(fù)和PARP1酶及MRN復(fù)合體等介導(dǎo)的微同源性末端接合等[9-10]。已有研究證實,隨著年齡增加,體細(xì)胞內(nèi)ROS蓄積、抗氧化物水平下降、DNA復(fù)制錯誤及修復(fù)酶表達(dá)下調(diào)等參與線粒體基因組突變的累積,是衰老相關(guān)的線粒體功能下降的重要機(jī)制;而mtDNA突變的累積促進(jìn)線粒體功能下降和更多ROS的產(chǎn)生,形成惡性循環(huán)進(jìn)而加速衰老、誘導(dǎo)疾病發(fā)生[11-12]。

1.3 線粒體基因組表觀遺傳學(xué)修飾

線粒體表觀遺傳學(xué)是生命科學(xué)研究的嶄新領(lǐng)域,涉及線粒體基因的表觀遺傳修飾及其與核基因組之間龐大的表觀修飾作用網(wǎng)絡(luò)。線粒體表觀遺傳學(xué)分為4個水平:mtDNA水平修飾、類核區(qū)蛋白分子修飾、mtRNA修飾及非編碼RNA的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,其中mtDNA甲基化隨年齡增加的累積效應(yīng)及特定基因沉默效應(yīng)在慢性退行性疾病中發(fā)揮作用。mtDNA甲基化常發(fā)生于啟動子區(qū)和非編碼區(qū)mtDNA控制區(qū)域(displacement loop region,D-loop),通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT1、DNMT3A、DNMT3B)將甲基從S-腺苷蛋氨酸轉(zhuǎn)移到第5位胞嘧啶堿基上(5-mC),影響mtDNA的基因表達(dá)及復(fù)制過程[13]。5-mC位點可被TET轉(zhuǎn)位蛋白加氧形成5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5-hmC),5-hmC曾被認(rèn)為是修復(fù)酶作用的中間產(chǎn)物,經(jīng)氧化代謝及DNA修復(fù)酶切除后被正常胞嘧啶取代。近期發(fā)現(xiàn)5-hmC通過與甲基CpG結(jié)合蛋白2結(jié)合,亦是線粒體基因組結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)的調(diào)節(jié)點[14]。值得注意的是,mtDNMT1上調(diào)可不對稱影響線粒體DNA從重鏈到輕鏈轉(zhuǎn)錄表達(dá):即上調(diào)mtDNA重鏈的NADH脫氫酶1,而下調(diào)輕鏈NADH脫氫酶6,這提示甲基化調(diào)控mtDNA表達(dá)具有選擇性。此外,線粒體類核區(qū)蛋白分子參與轉(zhuǎn)錄后mtRNA加工和核糖體組裝過程,線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的乙?；⒘姿峄胺核鼗揎棇⒂绊戭惡薽tDNA的組裝及功能,導(dǎo)致mtDNA轉(zhuǎn)錄異常和線粒體功能障礙[15]。

1.4 線粒體-細(xì)胞核基因組的雙向調(diào)控

線粒體和細(xì)胞核基因組的雙向調(diào)控在生命信息傳遞過程中發(fā)揮重要作用[16]。從細(xì)胞核到線粒體的信號傳遞稱為順向調(diào)節(jié),核編碼的轉(zhuǎn)錄因子、輔活化因子及表觀修飾酶直接調(diào)節(jié)線粒體基因組復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表觀修飾及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過程[16-17],調(diào)控線粒體的功能狀態(tài)以滿足細(xì)胞需求。相反,線粒體亦可逆向調(diào)節(jié)核基因組表達(dá)及表觀修飾:一方面,逆行反應(yīng)基因2p將線粒體功能信號傳遞至細(xì)胞核,激活核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子;另一方面,線粒體能量代謝產(chǎn)生的乙酰輔酶A、S-腺苷甲硫氨酸等是調(diào)控核染色體組蛋白乙?；NA和組蛋白甲基化的重要輔因子,參與調(diào)控核基因表觀修飾狀態(tài)[18-19]。此外,應(yīng)激狀態(tài)下線粒體未折疊蛋白反應(yīng)介導(dǎo)組蛋白H3K9me2修飾,廣泛抑制核基因轉(zhuǎn)錄水平,并特異性激活線粒體未折疊蛋白反應(yīng)相關(guān)基因表達(dá),促進(jìn)線粒體蛋白穩(wěn)態(tài),延長細(xì)胞壽命。這種雙向調(diào)節(jié)構(gòu)成了復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),建立細(xì)胞適應(yīng)性。

2 線粒體遺傳學(xué)與AMD

AMD是50歲以上人群發(fā)生不可逆性視力下降的主要原因之一,然而目前其病因仍不明確,年齡、遺傳、吸煙以及高血壓病史是AMD的發(fā)病危險因素。越來越多證據(jù)表明,線粒體遺傳學(xué)改變是AMD相關(guān)感光細(xì)胞、視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelial,RPE)退行性變及玻璃膜疣(drusen)形成等病理變化的重要機(jī)制[20]。隨著年齡增加,高氧環(huán)境下RPE細(xì)胞內(nèi)線粒體基因組損傷累積,能量代謝效率下降,達(dá)到組織閾值后誘發(fā)RPE退變、視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng),共同導(dǎo)致AMD[21]。

2.1 線粒體遺傳學(xué)改變與RPE功能障礙

研究顯示,RPE是視網(wǎng)膜發(fā)生衰老相關(guān)mtDNA損傷的重點部位,且損傷程度隨年齡而加重,年齡相匹配的AMD患者RPE的mtDNA異質(zhì)性較非AMD者顯著增高[21-22]。線粒體基因組損傷位點廣泛,在D環(huán)、編碼rRNA及tRNA基因等區(qū)域均檢測到DNA損傷[21]。Kaarniranta等[23]發(fā)現(xiàn),AMD患眼編碼NADH脫氫酶的基因mt4917A>G突變和NADH-泛醌氧化還原酶基因mtA11812A>G突變的發(fā)生率均顯著高于正常眼,且與RPE細(xì)胞ROS水平高度相關(guān)。此外,隨年齡增長,mtDNA修復(fù)酶如PARP1、mutY同源型和核酸內(nèi)切酶等水平逐步降低,加重mtDNA損傷負(fù)擔(dān)[22]。干性AMD模型研究顯示,RPE細(xì)胞線粒體數(shù)量及呼吸鏈相關(guān)亞基減少與脫色素現(xiàn)象、視網(wǎng)膜下沉積物增多等病理表現(xiàn)具有相關(guān)性,提示mtDNA損傷及線粒體功能障礙導(dǎo)致RPE代謝障礙、胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)破壞并影響線粒體-核信號,全面影響RPE細(xì)胞功能[24]。

吞噬消化感光細(xì)胞外節(jié)和促進(jìn)視循環(huán)中11-順視黃醛再生是RPE維持視網(wǎng)膜功能的主要方式。衰老相關(guān)mtDNA損傷疊加在視網(wǎng)膜高氧濃度和高氧耗的基礎(chǔ)上,過量ROS損傷溶酶體,導(dǎo)致外節(jié)的不完全消化,細(xì)胞內(nèi)外脂褐素沉積進(jìn)而發(fā)展為玻璃膜疣[25]。隨著脂褐素的慢性光化學(xué)作用,大量氧自由基產(chǎn)生并進(jìn)一步誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化,再次加重RPE細(xì)胞損傷。

自噬是RPE清除異常線粒體、改善細(xì)胞代謝功能的保護(hù)機(jī)制之一,通過活性氧或線粒體內(nèi)膜損傷激活的P13KC3通路或PINK1/Parkin通路啟動自噬信號,維持線粒體穩(wěn)態(tài)[26]。溶酶體功能下降(如感光細(xì)胞外節(jié)消化相關(guān)的CTSD基因或βA3/A1-crystallin基因等缺陷)及脂褐素沉積造成的自噬能力降低與AMD發(fā)病密切相關(guān)。自噬下調(diào)伴隨mtDNA損傷及ROS產(chǎn)生增加,參與啟動RPE凋亡或炎性凋亡,釋放炎癥因子和血管生成因子A[27]。這些變化共同導(dǎo)致RPE萎縮及視網(wǎng)膜局部炎癥反應(yīng),啟動一系列AMD相關(guān)病理改變。

2.2 線粒體遺傳學(xué)改變與視網(wǎng)膜炎癥反應(yīng)

線粒體損傷通過多種方式促進(jìn)視網(wǎng)膜炎癥發(fā)生。衰老RPE的抗氧化系統(tǒng)及自噬下調(diào)背景下,線粒體基因組損傷及甲基化修飾的積累和過量ROS的產(chǎn)生,一方面通過NLRP3炎性小體途徑激活Caspase 1/11及下游通路,Gasdermin D水解并發(fā)生N端寡聚化作用,移位至質(zhì)膜而形成非選擇性小孔,引起RPE細(xì)胞滲透性溶脹、破裂[28]。RPE細(xì)胞內(nèi)炎癥因子及炎性內(nèi)容物釋放至視網(wǎng)膜微環(huán)境,誘導(dǎo)局部小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞向M1型活化,啟動炎癥反應(yīng)。另一方面,RPE損傷后啟動線粒體損傷相關(guān)分子模式并釋放mtDNA,激活Toll樣受體9進(jìn)而促進(jìn)cGAS/STING通路和MAPK信號通路活化,通過核因子-κB通路直接誘導(dǎo)下游炎癥因子釋放[29]。Kerur等[30]在干性AMD相關(guān)研究中證實,患者RPE中cGAS、β干擾素、Gasdermin D和caspase-4等表達(dá)量增加,且與脂質(zhì)過氧化物oxPAPC含量升高相一致,推測線粒體代謝功能受損誘導(dǎo)視網(wǎng)膜慢性炎癥。因此,在自噬、抗氧化系統(tǒng)功能降低的背景上,衰老RPE細(xì)胞內(nèi)mtDNA的積累直接參與視網(wǎng)膜慢性炎癥反應(yīng)的發(fā)生及發(fā)展,進(jìn)一步加重AMD患者視網(wǎng)膜微環(huán)境損傷。

3 小結(jié)及展望

越來越多的證據(jù)支持AMD發(fā)病與衰老相關(guān)線粒體遺傳學(xué)改變有關(guān)的假說。衰老過程中,線粒體DNA突變或甲基化沉默誘導(dǎo)線粒體復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及能量代謝功能障礙,氧化磷酸化效率逐漸降低,ROS生成增加,損傷mtDNA并不斷累積。線粒體基因組損傷在RPE退變、drusen形成和視網(wǎng)膜慢性炎癥的不同環(huán)節(jié)發(fā)揮作用,導(dǎo)致感光細(xì)胞死亡和不可逆性視力受損。因此,及時調(diào)控衰老相關(guān)線粒體功能障礙有望成為抑制AMD病程進(jìn)展的新思路[31]。近期研究發(fā)現(xiàn),線粒體衍生肽家族成員humanin可抑制ROS生成、上調(diào)線粒體谷胱甘肽水平等,中和過量生成的ROS,保護(hù)細(xì)胞核及線粒體基因組,有效預(yù)防RPE氧化損傷[32,33]。此外,AICAR等AMPK激動劑通過PGC-1α相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄有助于調(diào)控線粒體生物合成,并促進(jìn)缺陷型線粒體的自噬清除,在RPE活性和視網(wǎng)膜炎性微環(huán)境調(diào)節(jié)中具有重要意義[34]。未來研究如能通過更有效的手段靶向性控制線粒體融合/裂變及基因組損傷修復(fù)的核心環(huán)節(jié),在更早期保護(hù)線粒體功能,有望保護(hù)RPE形態(tài)并維持其功能,調(diào)控視網(wǎng)膜微環(huán)境,為AMD患者視力損傷的防治帶來希望。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突