近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组在Nature Communications发表了文章NAD+ dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations9。该研究发现，老龄动物的肠中线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）的特异积累。利用动物模型和类器官技术论证线粒体DNA突变累积会导致肠道衰老过程中NADH/NAD+氧化还原态的消耗，并通过激活转录因子5（Activating transcription factor 5, ATF5)依赖的线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response, UPRmt)激活，损伤Wnt/ -catenin信号和耗竭肠干细胞以引发肠衰老，并进一步开发了通过补充NAD+前体NMN（烟酰胺单核苷酸）的逆转衰老方案。
“廉颇老矣，尚能饭否”和“一饭三遗矢”这两个成语都出自《史记 廉颇蔺相如列传》，分别指的是衡量人的衰老看他的饭量，及短时间内跑了三趟厕所说明年老。自古以来，肠道的器官稳态失衡被认为与个体衰老密切相关。肠上皮是成年哺乳动物中自我更新速度最快的组织，约4-5天更新一次。成年人的肠上皮由形成绒毛的分化细胞和隐窝中的干细胞组成。肠干细胞可以分化为不同的上皮细胞，从而形成有序的肠道结构，以维持肠道稳态和吸收、分泌、屏障和抗微生物功能等基本功能。然而，肠衰老的标志物及应答信号通路还不清楚。目前认为，线粒体功能障碍是细胞衰老的重要原因。研究表明，老年人类临床肠道样本存在线粒体DNA突变的积累。然而，随着年龄的增长，线粒体DNA突变累积是否以及如何调控肠衰老？这依然是未知之谜。
该团队揭示了自然衰老动物的肠线粒体DNA突变随年龄变化的规律，并鉴定了类型为线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）。为了回答线粒体DNA突变对肠衰老的因果作用，研究团队使用了线粒体DNA突变（线粒体DNA聚合酶 ——POLG突变）小鼠，这一广泛应用研究线粒体DNA突变引发衰老的实验模型。团队使用POLG突变小鼠和野生型鼠产生了四类不同线粒体DNA突变率的小鼠，其中POLG突变纯合子小鼠的线粒体DNA突变率最高，并且和自然衰老小鼠一样，主要积累低频点突变（0.005-0.05）。结合肠类器官技术和肠干细胞内源标记技术，结果发现，相同月龄下仅POLG突变纯合子小鼠更早出现了肠衰老的表型，展示出肠类器官分化程度低和肠干细胞数量锐减的现象，说明高负担的线粒体DNA突变能促进肠衰老的发生。这为肠衰老提供了线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）这一新的生物标记。
团队通过多组学分析和实验抽丝剥茧，定位到线粒体相关的通路，及NADH/NAD+氧化还原态的消耗，从而导致肠功能中发挥重要作用的Wnt/ -catenin信号衰减。进一步，通过NAD+前体NMN回补挽救了肠衰老表型，包括肠类器官分化和肠干细胞数量在一定程度上的恢复。研究人员发现高负担的线粒体DNA突变导致NAD+缺失，激活了转录因子ATF5依赖的UPRmt这一全新通路，进而促进和加剧了肠衰老表型的发生。值得一提的是，UPRmt被各种线粒体应激激活，包括线粒体与细胞核的蛋白失衡和线粒体蛋白运输障碍等。UPRmt的标志是 LONP1、HSP60 和 ClpP 蛋白表达增加。而线粒体DNA 突变引发的衰老UPRmt 激活中，仅有 LONP1 蛋白特异上调，为肠衰老提供了候选标志物。
综上，该研究成果首次回答了衰老累积的线粒体DNA突变与哺乳动物肠衰老之间因果关系的基本问题，鉴定了其中线粒体DNA低频点突变（0.005-0.05）与LONP1 蛋白特异上调两个标志物，发现了从线粒体DNA突变，到线粒体反向信号、干细胞耗竭、细胞间信号，再到器官衰老的多层次时空机制，为延缓肠衰老提供了全新的思路、靶点和策略。
“红影瘦尽晚春光，华发鬓生却斜阳”，当辛弃疾感叹风流总被雨打风吹去的青春易逝时，留下了千古之问：“凭谁问，廉颇老矣，尚能饭否？”。此情垂泪，一线一粒，更那堪断人肠。这恰似本文线粒体引发肠衰老之“线粒体断肠”。
本研究与广州医科大学、中国科学院香港创新研究院、香港中文大学和新西兰奥克兰大学等多个研究组合作完成。本研究获国家重点研发项目、中国科学院、国家自然科学基金、广东省和广州市的经费支持。
线粒体DNA突变引发肠衰老机制与逆转方案
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