中國科學家捕獲全新長壽基因
線粒體與衰老息息相關(guān)，近年來，通過優(yōu)化線粒體功能“延年益壽”的研究十分熱門。
然而，浙江大學聯(lián)合中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心的科研團隊卻另辟蹊徑，他們在昆蟲核基因組中發(fā)現(xiàn)了與線粒體協(xié)同演化的基因，其中一個，不僅能影響線粒體本身形態(tài)的生長，還能夠顯著延長昆蟲和線蟲的壽命。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然—衰老》。
“通過全球壽命基因數(shù)據(jù)庫比對，我們發(fā)現(xiàn)該長壽基因是國際上第8個具有廣泛延長動物壽命的新基因。”論文通訊作者、浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院研究員沈星星說。
“遠程”操控線粒體的核基因
線粒體主要負責細胞的能量供應，是我們細胞內(nèi)的重要成員。隨著年齡的增長，線粒體功能往往會逐漸衰退。鑒于線粒體與衰老、神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、心血管疾病以及腫瘤等多種疾病的發(fā)生緊密相關(guān)，如何保持線粒體功能的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。
“線粒體是一種很特別的細胞器，根據(jù)內(nèi)共生理論，線粒體源自一種古老的α-變形菌，這種細菌被一個原始的真核細胞吞噬，但并未被消化，而是與宿主細胞形成了共生關(guān)系”論文第一作者、浙江大學博士生陶妹說，“線粒體內(nèi)部至今仍然保存著屬于自己的DNA，但同時，線粒體也受到細胞核內(nèi)DNA的調(diào)控。線粒體與細胞核之間建立的相互交流和協(xié)作的穩(wěn)定關(guān)系，就叫協(xié)同演化。”
“我們可以把這種協(xié)同演化模式理解為，有兩輛汽車以相同的速度并行行駛在道路上，彼此的速度變化緊密同步，一方的加速或減速會立即反映在另一方上?！鄙蛐切墙忉?，“但以往科學家的目光大多集中在線粒體本身，我們則是轉(zhuǎn)換視角，將關(guān)注點放在與線粒體協(xié)同演化的細胞核上?！?/span>
于是，研究團隊綜合了演化生物學、計算生物學、功能基因組學等多個交叉學科，系統(tǒng)性地挖掘“遠程”操控線粒體進化的核基因。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有75個核基因與線粒體基因展現(xiàn)出顯著的協(xié)同演化模式，它們表現(xiàn)出了各種不同的功能，包括端粒維持、核糖體生物發(fā)生、線粒體功能和DNA修復，而這些功能都與生命衰老和疾病顯著相關(guān)。
研究團隊還挑選了其中四個核基因——CG13220, CG11837, Nop60B和CG11788，在果蠅體內(nèi)進行了基因活性降低的實驗。結(jié)果顯示，與對照組相比，這四個基因的活性降低均導致了線粒體形態(tài)的異常。
“延年益壽”全新基因
沈星星打了一個比方，如果把生物體看成一臺計算機，線粒體相當于電池，而細胞核就是CPU。“一臺計算機的待機時間不僅與電池容量大小有關(guān)，也與CPU處理策略有關(guān)?！?/span>
研究人員提出了一個關(guān)鍵問題：改變這些核基因的活力是否會影響動物的壽命？
讓研究團隊驚喜的是，他們在四個核基因中發(fā)現(xiàn)了一個特別的存在——CG11837，不僅能夠影響線粒體形態(tài)，它的活力還與動物的壽命長短存在顯著的正相關(guān)性。
為了尋找可靠證據(jù)，研究人員首先在六種不同的動物中進行了CG11837基因敲降實驗，包含褐飛虱、果蠅、斯氏按蚊和秀麗隱桿線蟲等。結(jié)果顯示，在所有研究的動物中，降低CG11837基因的活力就會顯著縮短它們的壽命，幅度在25%至59%之間。
敲降基因會縮短壽命，反之，激活基因是否可以延長壽命？為此，研究人員又在果蠅和線蟲中進行了該基因的過表達實驗。結(jié)果顯示，這兩種動物的壽命均顯著延長，幅度達到12%至35%。
這一發(fā)現(xiàn)促使研究人員思考，該基因是否也能延長人類的壽命？于是，他們對人類離體細胞進行了實驗，發(fā)現(xiàn)激活CG11837基因能夠提升抗衰老能力30%?！斑@一系列研究證實了CG11837基因在動物中具有廣泛的長壽效應?！鄙蛐切桥d奮表示。
對于這項研究，《自然—衰老》三位匿名評審專家指出：該研究方法獨特且新穎，從線粒體基因組—核基因組之間的共進化角度出發(fā)，打破了傳統(tǒng)思維上的局限，挖掘到功能非常保守的新長壽基因，對衰老研究領域具有非常重要的科學價值和實踐意義。
而在談到該研究成果的應用前景時，除了可以研發(fā)基于CG11837基因的藥物和治療方法，來延長人類健康壽命，主要從事昆蟲分子生物學研究的沈星星還提到，在農(nóng)業(yè)領域，該基因可以成為控制害蟲的新靶點，進而減少對化學農(nóng)藥的依賴，實現(xiàn)環(huán)境友好的綠色防控；在公共衛(wèi)生領域，可以通過干擾該基因表達來縮短蚊蟲等傳播疾病媒介的壽命，從而降低瘧疾、登革熱等傳染病的傳播風險，為蚊媒疾病防控和公共衛(wèi)生安全提供新的解決方案。
敲低CG11837基因后，黑腹果蠅脂肪體中線粒體的形態(tài)變得異常，呈現(xiàn)碎片化和聚集成簇的特征。圖中藍色為細胞核，綠色為多個線粒體，線粒體包圍形成的黑色孔為脂肪滴。沈星星課題組供圖
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