细胞重编程如何影响线粒体功能障碍
线粒体突变要么消失，要么增殖
Josh Conway
2024年12月19日
创建诱导多能干细胞（iPSCs）会导致突变线粒体群体发生变化，研究人员对此现象进行了更深入的研究。
容易突变
为什么我们衰老：线粒体功能障碍
随着年龄的增长，细胞内的线粒体失去提供细胞能量的能力，并释放出损害细胞并导致系统性炎症增加的活性氧物种。
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由于不在细胞核的保护下，线粒体DNA（mtDNA）的突变率是核DNA的10到100倍 [1]。mtDNA只有16,569个碱基对，非常紧凑，不包含核DNA中额外的非编码内含子；因此，任何突变都可能产生显著影响。如果一个突变发生在细胞内所有线粒体上，称为同质性，但如果只发生在部分线粒体上，则称为异质性，其影响因细胞类型而异 [2]。异质性可能会带来严重的下游后果，包括心脏问题 [3]。
众所周知，在某些细胞类型中，携带有害mtDNA缺失的线粒体会超过对细胞更有益的线粒体 [4]。然而，具体原因尚不清楚。此外，尽管线粒体功能障碍有许多与年龄相关的影响，但尚未证明这些DNA缺失是否是其中一些或全部的原因。目前也缺乏有效的方法直接改变活体生物中的线粒体。
山中因子 - 再生的机会
Takahashi博士和Yamanaka博士展示了他们可以使用Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc（OSKM）将细胞重新编程回多能性胚胎干细胞。这一发现表明，仅用四个重编程因子就可以重置细胞身份和衰老，但这会使细胞忘记其功能和器官。然而，足够长时间的重编程因子暴露可以逆转细胞的年龄而不擦除其身份。这是部分细胞重编程的基础。
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然而，先前的研究发现，细胞重编程可以改变线粒体的异质性。有趣的是，这可以朝两个方向发展：要么异质性变得占主导地位，要么完全消失 [5]。这对受线粒体质量极大影响的干细胞有显著影响 [6]。
全有或全无
实验开始时，研究人员使用OSKM对三种不同的细胞系进行重编程，一种带有已知点突变A3243G，另外两种带有常讨论的缺失Δ4977，尽管A3243G细胞中有89%的线粒体受到影响，而两个Δ4977细胞系的缺失比例非常低。如预期的那样，A3243G细胞的呼吸功能有严重问题，而Δ4977细胞则未受到显著影响。
在所有情况下，细胞迅速对这些线粒体变化表现出强烈的偏向性。一些由A3243G生成的iPSCs与原始细胞的比例相似，而另一些则完全没有这种突变。同样，虽然干细胞生成过程最初增加了Δ4977缺失的数量，但在四次分裂后，几乎所有生成的细胞中这种缺失的数量迅速下降；只有极少数高含量Δ4977的细胞保留了这种突变。大约50%线粒体含有该突变的细胞在四次分裂后要么迅速失去了突变，要么获得了更多的突变。
虽然大量突变的干细胞在分化为体细胞时没有改变分化方式，但后来出现了显著的影响。大量Δ4977的细胞比没有该突变的细胞更大，但分裂次数较少。这些线粒体突变细胞能够缓慢分化为脂肪细胞和骨细胞，没有任何明显的问题，但在分化为心脏组织时无法正常跳动，这些细胞中也没有发现维持心脏功能的关键化合物。
不出所料，这些Δ4977突变体在核基因表达方面也有显著变化：与基本代谢、氧化应激、小分子运输和胆固醇管理相关的基因都受到影响。还有涉及ATP合成和NAD+使用等代谢方面的趋势。
虽然A3243G突变体在表观遗传年龄上没有显著差异，但Δ4977突变体却有显著差异。这些是新近重编程的细胞，理论上应该几乎没有差异，但根据Horvath表观遗传时钟，这种差异大于从20岁和100岁个体中提取的iPSCs之间的差异。
这些发现对寻找线粒体突变细胞供应以研究线粒体疾病的研究人员来说很有兴趣，但也让其他人感到宽慰。虽然尚不清楚这些结果是否适用于所有线粒体突变，但iPSCs创建的简单过程似乎会产生临床水平上可以丢弃的显著受影响细胞，或通过无需额外干预即可去除逐渐累积的线粒体突变的细胞。这对基于iPSCs的疗法，特别是那些创建心脏和其他功能性组织的疗法来说是个好兆头。
参考文献
[1] Allio, R., Donega, S., Galtier, N., & Nabholz, B. (2017). 大型动物中线粒体与核突变率比率的显著变化：对遗传多样性和线粒体DNA作为分子标记的使用的影响。《分子生物学与进化》，34(11)，2762-2772。
[2] Picard, M., Zhang, J., Hancock, S., Derbeneva, O., Golhar, R., Golik, P., … & Wallace, D. C. (2014). mtDNA 3243A>G异质性的逐步增加导致转录重编程的突然变化。《美国科学院院报》，111(38)，E4033-E4042。
[3] Baris, O. R., Ederer, S., Neuhaus, J. F., von Kleist-Retzow, J. C., Wunderlich, C. M., Pal, M., … & Wiesner, R. J. (2015). 线粒体氧化代谢镶嵌缺陷促进老年期间的心律失常。《细胞代谢》，21(5)，667-677。
[4] Khrapko, K., Bodyak, N., Thilly, W. G., Van Orsouw, N. J., Zhang, X., Coller, H. A., … & Wei, J. Y. (1999). 老年人心脏中整个线粒体基因组的细胞间扫描揭示了一大比例的肌细胞具有克隆扩增的缺失。《核酸研究》，27(11)，2434-2441。
[5] Wei, W., Gaffney, D. J., & Chinnery, P. F. (2021). 细胞重编程塑造线粒体DNA景观。《自然通讯》，12(1)，5241。
[6] Chakrabarty, R. P., & Chandel, N. S. (2021). 线粒体作为信号器官控制哺乳动物干细胞命运。《细胞干细胞》，28(3)，394-408。
(全文结束)
