Nature :董夢秋發現線粒體的「超氧炫」頻率可以預測線蟲的壽命

2020-12-03 生物谷

2014年2月12日，北京生命科學研究所董夢秋實驗室與北大分子醫學研究所程和平實驗室在《自然》雜誌在線發表題為「Mitoflash frequency in early adulthood predicts lifespan in Caenorhabditis elegans」的文章，報導了線粒體的「超氧炫」頻率可以預測線蟲的壽命。

在這篇文章中，作者藉助程和平課題組在2008年發現的線粒體超氧探針cp-YFP，直接觀察單個線粒體內超氧陰離子自由基的自發的、爆發性的生成，即線粒體「超氧炫」現象。已知細胞內超氧炫的頻率與線粒體呼吸、ATP合成、鈣信號、基礎活性氧水平等緊密相關，那麼在衰老過程中，線粒體超氧炫怎麼變化呢？作者從成蟲第1天連續觀察到第19天，驚訝地發現野生型線蟲咽部肌肉細胞的超氧炫頻率在第2－3天和第8.5－9.5天出現兩個峰值，恰好分別對應線蟲的生育高峰期和開始有個體死亡的階段。對於長壽或者短壽的突變體線蟲，這兩個峰的位置和強度都有特徵性變化，暗示了線粒體的功能活性與衰老有著密切關係。

決定壽命的因素分為三類，即基因、環境和隨機因素。作者發現， 三類因素對線蟲壽命的影響都可以通過成蟲第三天咽部肌肉細胞的超氧炫頻率反映出來。第三天的超氧炫頻率與壽命負相關，而第九天的超氧炫頻率與壽命沒有相關性。線蟲成蟲第三天的超氧炫頻率作為線粒體的機能狀態參量可以預測壽命長短變化是一個出人意料的發現。這意味著，在動物機體功能最旺盛的時候，衰老的速度在相當大程度上已經決定了，雖然年輕時設立的衰老軌跡在後期仍然有機會被修改。該發現提示衰老是生物體程序調控的過程，與線粒體的功能活動密切相關。本文結果對於衰老研究的理論意義在於：首先，它支持廣義的線粒體衰老學說，即線粒體是遺傳、環境和隨機因素調控衰老的一個重要節點；同時，也為程序化衰老學說（programmed theories of aging）提供了可能是迄今為止最有說服力的實驗證據。前者有關個體衰老的原因，後者有關物種壽命的自然選擇與進化。對於線蟲之外的其它動物，年輕成體的線粒體超氧炫頻率與壽命的負相關性是否成立，以及相關性背後的生物學機制等問題都亟待進一步研究。

北京生命科學研究所博士研究生申恩志、宋春青（中國農業大學學籍）和北大博士研究生林淵為本文共同第一作者。通訊作者為董夢秋和程和平。臺灣國立成功大學的蘇佩芳和範德堡大學（Vanderbilt University）的石瑜教授（Yu Shyr）主持了數據的統計分析。我所影像中心的劉文苑和佔成博士在圖形數據的處理方面提供了很多支持。本文其他作者還有董夢秋實驗室的張文紅、張攀，程和平實驗室的林娜、徐傑佳和王顯花。這項研究得到了科技部、國家自然科學基金和北京市的資助。(生物谷Bioon.com)

生物谷推薦的英文摘要：

Nature   doi：10.1038/nature13012

Mitoflash frequency in early adulthood predicts lifespan in Caenorhabditis elegans

En-Zhi Shen，  Chun-Qing Song，  Yuan Lin，  Wen-Hong Zhang，  Pei-Fang Su，  Wen-Yuan Liu， Pan Zhang，  Jiejia Xu，  Na Lin，  Cheng Zhan，  Xianhua Wang，  Yu Shyr，  Heping Cheng  & Meng-Qiu Dong

It has been theorized for decades that mitochondria act as the biological clock of ageing1， but the evidence is incomplete. Here we show a strong coupling between mitochondrial function and ageing by in vivo visualization of the mitochondrial flash (mitoflash)， a frequency-coded optical readout reflecting free-radical production and energy metabolism at the single-mitochondrion level2， 3. Mitoflash activity in Caenorhabditis elegans pharyngeal muscles peaked on adult day 3 during active reproduction and on day 9 when animals started to die off. A plethora of genetic mutations and environmental factors inversely modified the lifespan and the day-3 mitoflash frequency. Even within an isogenic population， the day-3 mitoflash frequency was negatively correlated with the lifespan of individual animals. Furthermore， enhanced activity of the glyoxylate cycle contributed to the decreased day-3 mitoflash frequency and the longevity of daf-2 mutant animals. These results demonstrate that the day-3 mitoflash frequency is a powerful predictor of C.？elegans lifespan across genetic， environmental and stochastic factors. They also support the notion that the rate of ageing， although adjustable in later life， has been set to a considerable degree before reproduction ceases.

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