艾德思：浙大科研团队发现一个线粒体基因变异导致冠心病的新机制

 冠心病,冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称,是一种常见的复杂性疾病,由遗传因素/环境因素或两者相互作用所致.从全球看,冠心病越来越成为威胁人类生命和健康的因素,其发病率和死亡率近年来呈现总体上升的态势,是重大的公共卫生问题.

近日,浙江大学遗传学研究所 管敏鑫教授课题组在国际著名期刊<核酸研究>在线发表最新研究成果,首次构建携带线粒体基因组15927位置上转运核糖核酸(tRNA)基因突变的人脐静脉内皮细胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cells,HUVEC)转线粒体细胞系,检测了该突变对冠心病相关组织 — 内皮细胞功能的影响,揭示了线粒体tRNA改变导致冠心病的致病机理,并为线粒体基因突变致病的组织特异性研究提供了新的思路.

这项研究的第一作者为浙江大学医学院博士后贾子冬,共同通讯作者为浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授和王猛副教授.

缘起:线粒体基因突变是冠心病的危险因素之一

线粒体是人体细胞内普遍存在的一种细胞器,通过氧化磷酸化产生细胞各种生理活动所需约90%的ATP,是为细胞维持功能和代谢提供能量的"发电厂'.除了提供能量,线粒体产生细胞内约95%的活性氧,还是细胞凋亡/血红素合成/类固醇合成/钙离子调控和适应性产热的控制中心.另外,线粒体通过多种信号通路调控代谢平衡,炎症和衰老等重要生理活动,是多种重要细胞信号转导通路的调控中心.因此,线粒体的正常活动对心血管系统的健康至关重要.

管敏鑫课题组关于冠心病的这项研究,缘起于2011年对北京地区心血管疾病患者线粒体基因突变的一次大规模筛查.在那次筛查中,科研人员发现数个呈母系遗传特征的高血压和冠心病家系,并鉴定出可能与高血压和冠心病发生相关的一系列编码tRNA的线粒体基因突变位点,其中就包括该研究中的线粒体突变位点.

当时,课题组经过功能排查研究,已经锁定了该位点突变(线粒体tRNA Thr  15927G>A)为冠心病发生的危险因素之一,但对其致病机理尚不明确.

因此,探究相关致病机制成为管敏鑫团队亟待解决的一个难题.

创新亮点:首次 " 杂交 ' 完成含有 " 异源线粒体 ' 的血管内皮细胞

致病机制研究的第一个难关就在于生物实验样本的选定.

线粒体基因突变致病的组织特异性一直是线粒体疾病研究的难点,这个"难点'就难在没有生物实验样本可以研究.一个原因是当时有个技术瓶颈,即无法对线粒体进行直接的基因编辑,无法通过基因编辑构建细胞或动物模型进行研究;另一个原因是无法确定病人的什么组织作为直接的实验素材.

怎么办?细胞的"杂交'开始了.

众所周知,与冠心病发生相关的组织包括血管内皮,血管平滑肌和巨噬细胞等.其中,血管内皮损伤是动脉粥样硬化发生的根本原因之一,也是病理过程早期最主要的标志.

本次研究中,管敏鑫团队的科研人员巧妙地选取被广泛应用于动脉粥样硬化相关实验研究中的人脐静脉内皮细胞为实验对象,将其线粒体剔除,并提取患者淋巴细胞中基因变异的线粒体,将两者合二为一进行"杂交',首次构建出携带线粒体特殊位点突变的病人特异转线粒体细胞系.

七年科研进行曲:从分子和细胞层面探讨线粒体基因突变对冠心病的影响

线粒体中tRNA的作用是搬运氨基酸合成蛋白质,管敏鑫课题组通过研究发现,当线粒体发生基因突变时,原来正常折叠起来的三维结构发现异常,稳态水平和氨酰化水平降低,导致蛋白质合成减少.原因是tRNA用于搬运氨基酸的分子减少,同时有的分子无效搬运增大.

图1. 分子动力学模拟显示线粒体tRNA Thr 结构稳定性降低

怎样更好了解这个研究,管敏鑫团队的科研人员向我们打了个比方.将tRNA结合氨基酸的过程看作是一个高成功率的娃娃机抓布偶的过程.作为娃娃机抓手的tRNA,因为基因突变,导致相关碱基对断开并影响周围力学平衡后,整个结构受到影响.这种影响表现为作为抓手的tRNA直接减少,无法结合氨基酸.另一个结果是留下来的抓手中出现"次品'无法结合氨基酸,"抓空率'大幅增加.这两个原因导致娃娃机抓布偶的tRNA结合氨基酸整体比例降低,进而导致蛋白质合成减少,引发下游一连串连锁反应.

第一个连锁反应是在线粒体层面,线粒体的正常功能出现失常.由于蛋白质数量的减少,科研人员通过实验发现,线粒体出现了氧化呼吸功能障碍,线粒体膜电位降低,以及活性氧增加."适度的活性氧作为信号传导是必须的,但是活性氧大量增殖后,会氧化细胞中的各类大分子.'贾子冬说,"如同苹果'生锈'影响口感,过度的氧化会导致分子损伤,从而导致功能受到影响.'

第二个连锁反应发生在内皮细胞层面.线粒体功能缺陷最终导致内皮细胞凋亡水平增高,科研人员发现,内皮细胞的迁移能力和成血管能力双双降低,表明血管内皮细胞的正常功能发生损伤.

图2. 携带突变HUVEC体外血管生成能力改变

展望:为治疗冠心病发现新的潜在靶点

"血管内皮损伤正是冠状动脉粥样硬化发生的根本原因之一.'管敏鑫表示,课题组从分子和细胞层面探讨了线粒体特定位点突变在冠心病病理过程中的作用,为冠心病的致病机制和治疗方式研究提供了新的视角."这个首次验证的发病机理,为治疗发现新的潜在靶点.'另外,课题组所使用的研究方式也将为其它线粒体疾病的组织特异性研究提供新的启发.

该研究工作获得国家重点基础研究发展计划(973计划),国家自然科学基金以及博士后科学基金等的支持.参与该研究的作者还有浙江大学遗传学研究所的硕士生张晔/李强和叶真珍等.  

原文链接:

(柯溢能/图片由课题组提供)

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