衰老过程中线粒体DNA修复功能的研究
线粒体DNA修复和突变的研究
线粒体DNA修复和突变的研究线粒体是细胞中的一个重要的细胞器，其主要功能是产生能量，维持生命活动。
线粒体内含有一种小的环状DNA，称为线粒体DNA(mtDNA)，其中编码了几个非常重要的蛋白质，参与线粒体能量的合成过程。
然而，由于长期受到内外环境的损伤，线粒体内的DNA容易出现突变，从而导致一系列线粒体相关的疾病。
本文主要介绍线粒体DNA的修复机制以及其与突变相关的研究进展。
一、线粒体DNA的修复机制线粒体DNA的修复机制与细胞核DNA有很大的不同。
在细胞核内，DNA会接受多种修复酶的平行作用，形成复杂的修复机制网络。
而线粒体DNA的修复主要依靠DNA多聚酶γ(Polγ)和一些辅助因子的作用。
1、DNA多聚酶γDNA多聚酶γ是线粒体的DNA的主要复制和修复酶，其含有一个负责5'→3'链合成的催化亚基和一个负责3'→5'外切的外切亚基。
在DNA损伤修复过程中，DNA多聚酶γ的外切亚基将损伤部位切掉，催化亚基则按照模板DNA重构新链，从而完成修复。
2、mtSSB线粒体单链DNA结合蛋白(mtSSB)是线粒体DNA修复的关键辅助因子。
它能够保护线粒体DNA免受脱氧核糖核酸酶等的降解。
在mtDNA受到损伤时，mtSSB会将受损的DNA区域与DNA多聚酶γ催化亚基组成的复合物严密结合，从而促进DNA的修复。
3、其他辅助因子线粒体还有一些其他重要的辅助因子，如DNA1、DNA2、TOM70等，它们在mtDNA复制和修复过程中起到了重要的作用。
其中DNA1能够协同DNA多聚酶γ催化亚基完成MT-DNA的复制和修复，DNA2则参与了mtDNA的外切修复过程，并参与调节mtDNA的结构。
二、线粒体DNA突变的研究线粒体DNA的突变主要是由于外源性和内源性因素的损伤导致的。
外源性因素如伤害、化学物质、放射线等，而内源性因素则主要与健康状况、饮食、锻炼等因素有关。
这些因素都有可能造成线粒体DNA的基因突变或大片段缺失，从而导致线粒体的功能出现问题，引发一系列疾病。
线粒体DNA与衰老的研究进展
线粒体DNA与衰老的研究进展简介线粒体是细胞中的一种细胞器，被称为细胞的能量工厂，其功能是将食物中的能量转化为细胞可以利用的 ATP 能量。
线粒体是细胞内唯一拥有自己的 DNA 的细胞器，它们的 DNA 中拥有少量的基因，编码着一些参与线粒体内蛋白质的合成的RNA 和蛋白质。
随着人口老龄化现象的日益突出，衰老问题正变得越来越普遍，而线粒体 DNA 与衰老的关系备受关注。
研究发现，线粒体 DNA 中的突变可能是人类衰老和多种疾病的原因之一，因此对线粒体 DNA 的研究有助于对这些疾病的治疗和预防。
本文将从线粒体 DNA 与衰老的基础知识、线粒体 DNA 突变与衰老的关系、线粒体 DNA 的修复及其在治疗方面的应用等多个方面进行探讨。
线粒体 DNA 与衰老的基础知识线粒体 DNA 又称为mtDNA，是一种环状的 DNA 分子，大小约为 16.6 兆分子，编码了约 37 个基因。
这些基因主要编码线粒体中的蛋白质，这些蛋白质参与了线粒体呼吸链的多个环节，从而担任着维持细胞生命活动的关键作用。
线粒体 DNA 是一份双链 DNA，分为正链和反链两部分。
其中，正链编码的氨基酸序列与反链相同，但都具有不同作用的启动子和调节区域。
线粒体 DNA 突变与衰老的关系研究发现，线粒体 DNA 突变可能是人类衰老和多种疾病的原因之一。
线粒体DNA 突变是指某个或某些突变导致了基因的表达或功能发生了改变，从而使线粒体蛋白质的合成受到影响。
这将导致线粒体功能障碍，进而引发多种疾病。
衰老是生物体生命周期末期因生理功能逐渐下降或机体抵抗力减弱而逐渐出现的一系列现象。
许多研究表明，线粒体 DNA 突变是与衰老紧密相关的。
研究人员通过测量线粒体 DNA 突变以及形态学和生理学改变等指标的研究，发现线粒体DNA 突变能够引发大量自由基的释放，进而影响身体的代谢过程。
此外，研究还发现，线粒体 DNA 突变还与癌症、神经系统疾病以及慢性肾病等多种疾病存在着紧密的关系。
线粒体DNA的复制和修复机制研究
线粒体DNA的复制和修复机制研究线粒体是细胞内的一种重要细胞器，负责细胞内的能量代谢和氧化磷酸化反应。
然而，与其他细胞器不同，线粒体拥有自己独特的遗传物质，即线粒体DNA （mtDNA）。
与细胞核DNA不同，mtDNA只有一条环形DNA，只有少量的非编码序列和大量的编码蛋白质、RNA等功能序列。
线粒体DNA的复制和修复机制是研究mtDNA遗传特性和细胞功能的关键，本文将介绍当前的研究进展。
一、线粒体DNA的复制机制线粒体DNA复制有两种模式：循环复制模式和D-loop起始复制模式。
循环复制模式是指mtDNA复制起始点在D-loop区域，而D-loop起始复制模式则是指mtDNA复制在D-loop外的区域开始。
在循环复制模式中，核内的蛋白质会识别出D-loop区域，并提供必要的蛋白质和RNA，促进mtDNA复制。
同时，其他因素如细胞周期调节、脂类合成、ATP水平等也可能影响mtDNA的复制。
目前，对于mtDNA复制机制的研究主要集中在两方面：复制因子的鉴定和复制起始点的确定。
在复制因子的鉴定方面，已经鉴定出了多种参与mtDNA复制的蛋白质和RNA。
例如，mtDNA复制中的关键因子为DNA聚合酶gamma（pol γ），它缺失会导致严重的线粒体疾病。
其他复制因子如单链结合蛋白、DNA修复因子等也被认为在mtDNA复制中发挥了重要作用。
除了复制因子，mtDNA复制起始点的确定也是当前研究的热点之一。
最新的研究表明，D-loop区域并不是唯一的mtDNA复制起始点，其他区域如tRNA基因等也能起到复制起始的作用。
二、线粒体DNA的修复机制与其他DNA一样，mtDNA也会受到外界致损因子的影响，如紫外线、化学药物、细胞代谢物等。
在此情况下，细胞需要通过修复机制来恢复mtDNA的正常功能。
目前，mtDNA的修复机制主要有三种：碱基切除修复、合成切除修复和重组修复。
碱基切除修复是mtDNA修复的主要方式，它包括有若干个环节——损伤识别、切除和修复。
线粒体DNA延缓衰老的研究进展
ｍ ｔ Ｄ Ｎ Ａ 位 于 线 粒 体 内膜 基 质 侧 ．邻 近 活 性 氧 （ Ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｅ ｓ ， Ｒ Ｏ Ｓ ） 产生 部位 ． 电子 呼吸链在传递 过程 中产
生的 Ｒ Ｏ Ｓ易 引 起 ｍｔ Ｄ Ｎ Ａ 氧 化 损 伤 目前 认 为 ． ｍｔ Ｒ Ｎ Ａ较 易
多大程度参 与 了线粒 体功能 的退行性 变化 及其在 衰老进 程 中的意义尚不 十分清楚
来 ．
随着 ｍｔ Ｄ Ｎ Ａ分 子生物学研 究的深入 ． ｍ ｔ Ｄ Ｎ Ａ在 衰老 中的作
３ ｍｔ ＤＮ Ａ在 运 动延 缓衰 老 中的作 用
定程度 时就会 伤 ｍｔ Ｄ Ｎ Ａ的复制 、 线 粒体 ｔ Ｒ Ｎ Ａ（ 转 移核糖
核酸 ） 和ｒ Ｒ Ｎ Ａ（ 核糖体 核糖核酸 ） 的生成及蛋 白质合 成等一
复制或 Ｄ环复制 。基 因组含有 ３ ７ 个基 因 ， 其中 １ ３个为蛋 白
质基因（ 包含 １ 个细胞素 ｂ 基因． ２ 个 Ａ Ｔ Ｐ酶复合体组成成分 基因． ３个 细胞 色 素 Ｃ氧化 酶亚单 位 的基 因及 ７个 呼 吸链 Ｎ ＡＤ Ｈ脱 氢酶亚单 位 的基 因 ） ， ２个 ｒ Ｒ Ｎ Ａ基 因 ，还 有 ２ ２个
Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
第 ９期
山东 工 业 技 术
２ ０ １ ３ 矩
线粒体 Ｄ Ｎ Ａ延缓衰老的研究进展
吕成 林
（ 曲阜 师范 大学 生命 科 学学 院 ， 山东 曲阜 ２ ７ ３ １ ６ ５ ）
人体 内存在两套基因组 ． 一套是位于细胞核 内的核基 因 组ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｇ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ） 。 另 一套是位 于细胞质线 粒体 中的线 粒体 基因组（ ｍｉ ｔ ｏ ｃ ｈ ｏ ｎ ｄ ｒ ｉ ａ ｌ ｇ ｅ ｎ ｏ ｍ ｅ ） 。作为线粒体基 因的载体 ， 线粒 体 Ｄ Ｎ Ａ（ ｍｉ ｔ ｏ ｃ ｈ ｏ ｎ ｄ ｒ ｉ ａ ｌ Ｄ Ｎ Ａ ｍ ｔ Ｄ Ｎ Ａ） 是 人体 细胞 内唯一 的核
线粒体功能与衰老过程的关系探讨
线粒体功能与衰老过程的关系探讨在生命的长河中，衰老如同不可逆转的洪流，悄然影响着我们身体的每一个细胞和器官。
而在这一复杂的生物学过程中，线粒体的功能扮演着至关重要的角色。
线粒体，这个常常被称为细胞“能量工厂”的微小细胞器，其功能的变化与衰老之间存在着千丝万缕的联系。
线粒体是细胞内进行有氧呼吸的主要场所，通过一系列复杂的生化反应，将我们摄入的营养物质转化为细胞能够直接利用的能量形式——三磷酸腺苷（ATP）。
这一过程对于维持细胞的正常生理功能和生命活动至关重要。
然而，随着年龄的增长，线粒体的功能逐渐出现衰退。
首先，线粒体的数量会在衰老过程中减少。
年轻健康的细胞通常拥有充足的线粒体来满足能量需求，但随着衰老，细胞分裂的速度减缓，新线粒体的生成也相应减少。
这就如同工厂里的生产线逐渐老化，生产效率降低，无法满足市场的需求。
其次，线粒体的结构也会发生变化。
线粒体的膜结构变得不稳定，通透性增加，导致一些关键的酶和蛋白质泄漏，影响了能量产生的效率。
就好比工厂的围墙出现了裂缝，内部的重要设备和原材料流失，生产自然受到影响。
再者，线粒体的能量产生效率在衰老过程中降低。
由于上述的数量减少和结构变化，线粒体进行有氧呼吸的能力下降，生成的ATP 减少。
细胞得不到足够的能量供应，各种生理功能便开始出现障碍。
想象一下，如果一个城市的供电不足，交通、通讯、生产等各个方面都会陷入混乱。
那么，线粒体功能的衰退是如何导致衰老的呢？一方面，能量供应不足直接影响了细胞的正常功能。
细胞的许多生理过程，如物质运输、蛋白质合成、细胞分裂等，都需要消耗大量的能量。
当线粒体无法提供足够的能量时，这些过程就会受到阻碍，导致细胞的衰老和死亡。
例如，神经细胞对能量的需求极高，一旦线粒体功能出现问题，神经细胞的功能就会受损，可能引发认知能力下降、记忆力减退等衰老相关的症状。
另一方面，线粒体功能障碍会产生大量的活性氧（ROS）。
ROS 是一种具有强氧化性的分子，它们会攻击细胞内的各种生物分子，如蛋白质、脂质和 DNA，造成细胞损伤。
衰老过程中线粒体DNA修复功能的研究
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｗ ｉ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｔ ｒｔ ｒ ｔ ｄ ｓｒ ｃ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｔ ｏ ｆ ｉ ａｕ ｅ ｓｕ ｙ，ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｄ ｓ ｕ ｓ ｓｔ ｅ ｃ ｒ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｓｏ ｅ ａｒ ｇｆ ｎ ｔ ｎ ｏ － ｈ ｌｅ ｈ ａ ｅ ｉ ｓｅ ｈ ｕ ｒ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｆ ｐ ｉ ｎ ｕ ｃｉ ｆｍｉ ｃ ｅ ｒ ｉ ｏ ｔｅ ｏ ｄｉｌ ｏ ｈ ｎ ｒａ ＤＮＡ ａ ｄ ｉ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｈ ａ ｅ ｎ ｌｓ ｓｔｅ ｒ ｐ ｉ ｎ ｎ ｔ ｎ ｏ ｔｃ ｏ ｄ ｉｌＤ ｎ ｔ ｅａ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓａ ｄ ｎ ｔ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ．Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒａ ａｙ ｅ ｈ ｅ ａｒ ｇ ｆ ｃｉ ｆ ｏ ｈ ｎ ｒ ＮＡ ｉ ｇ ｎ ｒ ｃ ｓ ｎ ｓ ｉ ｕ ｏ ｍｉ ａ ｈ ｉ ｏ ｓ ｌ ｃ ａ ｉｍ ，ｉ ｃｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｐ ｏ ｕ ｔ ｎ ｏ ｅ ｃ ｉｅ ｏ ｙ ｅ ｐ ｃｅ ｎ ｔ ｅ ａ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈ ｈ ｎ ｅ ｆｔｅ ｍｉ ｃ ｏ － ｔ ｐ ｓ ｉ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｓ ｂ ｎ ｌ ｄ ｎ ｈ ｒｄ ｃｉ ｆｒ ａ ｔ ｘ ｇ ｎ ｓ ｅ ｉ ｓｉ ｇ ｎ ｒ ｃ ｓ ，ｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｓｏ ｔ ｈ ｎ ｏ ｖ ｈ ｈ ｏ ｄ ｉ ｎ ｉｘ ｄ ｔ ｎ ｓ ｓ ｍ ｎ ｈ ｏ ｓｂ ｅ ｆ ｎ ｔ ｎ ｌ ｃ ａ ｉｍ ｆｒ ｐ ｉ ｎ ｎ ｙ ｒ ａ ｔ ｉ ａ ｉ ｙ ｔ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｓ ｉｌ ｕ ｃｉ ａ ｌ ａ ｏ ｏ ｅ ｏ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｅ ａｒ ｇ ｅ ｚ ｍｅ ＯＧＧ１ ｏ ｔｃ ｏ ｄ ｉｌＤＮＡ． ｉ ｆｍｉ ｈ ｎ ｒａ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｉ ｇ；ｍｉ ｅ ｏ ｄ ａ ｙ ｗｏ ｄ ｇｎ ｔ ｈｎ ｒ ｌ ｏ ｉ ＤＮＡ；ｒ ｐ ｉ ｅ ａｒ
线粒体功能异常与衰老过程之间关联性分析
线粒体功能异常与衰老过程之间关联性分析引言：随着人口老龄化问题的日益突出，老龄化相关疾病的研究变得更加重要，而衰老是这些疾病的共同特征。
线粒体是细胞内能量生成的主要场所，也是细胞衰老过程中的关键参与者。
本文将探讨线粒体功能异常与衰老过程之间的关联性，并分析两者之间的可能机制。
一、线粒体功能异常与衰老现象1. 细胞衰老细胞衰老是老化过程中最显著的特征之一，表现为细胞功能逐渐减退、增殖能力下降和细胞周期紊乱等。
研究表明，线粒体在细胞衰老中起着重要作用。
2. 线粒体功能异常线粒体功能异常通常指线粒体DNA损伤、线粒体呼吸链功能障碍和线粒体膜电位下降等现象。
线粒体功能异常会导致细胞内能量供应不足和氧化应激水平升高，引发细胞衰老。
二、线粒体功能异常与衰老过程的关联1. 氧化应激和线粒体功能异常氧化应激是由于线粒体产生的自由基超过抗氧化系统能力，导致细胞内产生过多的氧化物质，引起蛋白质、脂质和核酸的氧化损伤。
线粒体功能异常会导致氧化应激水平升高，从而促进细胞衰老。
2. 线粒体DNA损伤和细胞衰老线粒体DNA损伤会导致线粒体基因的突变和缺失，从而进一步导致线粒体功能异常。
研究发现，线粒体DNA损伤与细胞衰老密切相关，线粒体功能的恢复可以逆转细胞衰老现象。
3. 线粒体呼吸链功能障碍和细胞衰老线粒体呼吸链功能障碍会导致细胞内能量供应不足，细胞无法正常执行其功能。
此外，线粒体呼吸链功能障碍还会增加氧化应激水平，进一步促进细胞衰老。
4. 线粒体膜电位下降和细胞衰老线粒体膜电位下降是线粒体功能异常的重要指标之一。
线粒体膜电位的下降会导致氧化磷酸化和ATP合成受阻，进而影响细胞内能量供应，加速细胞衰老。
三、线粒体功能异常与衰老过程的机制分析1. 炎症反应线粒体功能异常会增加细胞内氧化应激水平，进而激活炎症反应。
炎症反应可以通过介导细胞衰老基因的表达和调节DNA损伤修复等途径，进一步影响细胞衰老过程。
2. AMPK和MTOR信号通路AMPK和MTOR是两个重要的信号通路，对调节能量代谢和细胞生长起着关键作用。
线粒体的DNA修复和功能恢复
线粒体的DNA修复和功能恢复随着年龄的增长，我们的身体开始出现越来越多的不适和疾病。
这很大一部分是因为我们的细胞伴随着时间的推移而开始衰老，其中一个重要的因素就是线粒体的功能下降。
那么什么是线粒体？它又如何影响我们的身体健康呢？线粒体是细胞中的一个重要器官，它产生细胞所需的能量，并参与各种生化反应。
与其他细胞器不同的是，线粒体还拥有自己的DNA。
这些DNA负责编码一些与线粒体功能相关的基因，告诉线粒体如何生产能量并维持健康的状态。
然而，与常规的DNA不同，线粒体DNA容易受到损伤。
这是因为线粒体的生产过程中会产生许多自由基，这些分子具有很高的反应性，容易让周围的DNA受到氧化损伤。
此外，线粒体DNA还没有被包裹在核壳内，其脆弱程度更高。
这种DNA的易损性与线粒体功能的下降有密切的关系。
一旦线粒体DNA受到损伤，它就会失去一些重要的基因编码，进而影响线粒体生产能量的功能。
通过现代生物技术，科学家已经找到了一些有助于线粒体DNA修复和功能恢复的方法。
一种常见的方法是使用细胞自身的DNA修复机制修补受损的线粒体DNA。
在这个过程中，细胞会利用自身DNA修复系统中的蛋白质来检测和修复受损的DNA序列。
虽然这种方法需要较长的时间才能看到效果，但它可以有效地提高线粒体DNA的修复率，并且不需要使用外部药物或干预手段。
当然，除了使用细胞自身的DNA修复机制，科学家还利用了其他的方法来修复线粒体DNA，以恢复线粒体的功能。
例如，一些研究者使用化学物质或RNA干扰技术来调节线粒体基因的表达，从而协调线粒体的功能和细胞的需求。
同时，一些人工合成的DNA片段也可以被嵌入到受损的线粒体DNA中，从而改善修复结果。
无论使用何种方法来修复线粒体DNA，最终的目的都是为了恢复其正常的功能，进而保障细胞所需的能量供给和其他基本功能。
当我们改善线粒体的功能和健康，身体的其他系统也会得到更好的运转，并持续保持良好的健康状态。
总之，线粒体的DNA修复和功能恢复是目前热门的研究领域之一。
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第27卷 第4期V o.l27,N o.4体育成人教育学刊Jou rnal of Sports A dult Educati on2011年8月A ug.,2011衰老过程中线粒体DNA修复功能的研究易 军(重庆邮电大学体育学院,重庆400063)摘 要:对衰老过程中线粒体DNA修复功能的研究现状及进展进行探讨,分析了线粒体DNA修复在衰老过程中的作用和可能机制,包括衰老过程中活性氧生成及线粒体抗氧化体系的变化,线粒体DNA修复酶OGG1的可能作用机制。
关键词:衰老过程;线粒体DNA;修复功能中图分类号:G804.2 文献标识码:A 文章编号:1672 268X(2011)04-051-03Researches of repairi ng f uncti on ofm itoc hondrialDNA i n aging processY I Jun(Sport Co ll ege,Chongq i n P ost and T e lecomm un i cati on U niv.,Chongq i n400063,Chi na)Abstrac t W ith the resea rch m ethod o f literature study,t he paper d i scusses the current researches of repa iring f unc ti on o fm i tochondria lDNA and its deve l op m ent.The paper ana l y ses the repair i ng f uncti on o fm it o chondrial DNA i n the ag i ng process and its possi b l e m echan is m,i nclud i ng the produc ti on o f reacti ve oxygen spec i es i n t he ag i ng pro cess,the chang es of t he m itochon dr i a l antiox ida ti on syste m and the poss i ble f unctiona lm echanis m of repa iring enzy m e OGG1o fm itochondr i a l DNA.K ey word s ag i ng;m itochondr i a l DNA;repa ir高等生物衰老是一个非常复杂的、渐进的生物学过程,涉及细胞、组织、器官的多种特异的生物大分子反应。
衰老的线粒体理论认为,在生物生命周期中,体细胞线粒体DNA损伤的进行性积累导致了线粒体生物能量学功能的下降,直接导致了人类的衰老的产生。
近期,线粒体DNA修复功能发现表明在衰老和修复之间存在着密切的联系,这方面的研究已成为当前研究衰老机制的一大热点,本文就衰老过程中线粒体DNA修复功能研究进展综述如下。
1 线粒体衰老理论概述线粒体通过氧化磷酸化产生ATP提供主要的生命所需能量,同时,线粒体也是机体生理及病理条件下细胞内RO S 和自由基的主要发生部位,通常认为线粒体功能的紊乱以及RO S产物的增加是衰老过程中重要的影响因素。
H ar m an首先提出了衰老的自由基理论,他认为,作为有氧代谢的副产物,氧自由基引起了氧化损伤的累积,最终导致了衰老及与衰老相关的疾病,线粒体在衰老过程中扮演着重要的角色,因为线粒体是氧自由基产生的主要的细胞器而直接受到氧自由基的攻击。
人类细胞中有数以百计的线粒体,线粒体基因组编码了13个多肽,组成了呼吸链酶复合物,而这些复合物是氧化磷酸化系统所必须的,体细胞的线粒体DNA突变也许直接和RO S产生的恶性循环及衰老机制有关。
L i nnane等人在1989年提出,线粒体DNA突变是人类衰老和退行性疾病的主要原因。
在这种线粒体研究趋势下,衰老的自由基理论扩展到了衰老的线粒体理论。
线粒体衰老理论认为在个体的生命周期中,体细胞线粒体DNA的进行性积累引起了线粒体生物能量学功能的下降,导致了衰老的产生。
在正常的生理状态下,线粒体呼吸链电子传递过程中产生的ROS处于一种非常低的水平,ROS对线粒体DNA的氧化损伤可能导致了DNA链的断裂以及体细胞线粒体DNA突变的发生。
线粒体DNA突变的累计也许引起了呼吸链功能的紊乱,进而导致线粒体中RO S的增加以及更多的线粒体DNA突变的累计,这种恶性循环致使衰老过程中氧化损伤累积性增加,进而导致了细胞和组织功能的进行性下降。
2 衰老过程中活性氧生成的变化大多数细胞内的RO S产生于线粒体呼吸链氧化反应。
呼吸链复合物I和复合物III是线粒体呼吸链中ROS产生的主要位点。
通过试验已观察到双翅类昆虫的平均生命周期,与组织细胞线粒体中的超氧阴离子和过氧化氢的产生比率呈负相关。
而且,线粒体RO S增加的比率随着衰老而增加。
DNA的氧化损伤引起了嘌呤碱和嘧啶碱的变构、单链及双链断裂以及与其他分子的交联。
随着衰老进程,组织细胞中核DNA和线粒体DNA结构的改变显著增加。
哺乳动物线粒体DNA的几个特点使其具有对氧化损伤的高度敏感性。
包括:接近线粒体ROS产生的位点、缺少组蛋白的保护以及线粒体损伤修复能力的限制。
有文献报道线粒体DNA的氧化性变形比核DNA更为严重。
有研究发现伴随衰老进程,心肌和膈的线粒体DNA氧化性变形明显增加。
通过多聚酶链式反应测定特定的DNA损伤基因的研究发现,损伤的核苷酸阻断了DNA多聚酶的功能,导致了目标序列的扩增减少。
在线粒体膜磷脂中的多不饱和脂肪酸对氧化作用非常敏51感,羟自由基是最能诱导脂质过氧化的因素之一。
研究表明衰老过程中线粒体内大量的脂质过氧化反应明显增加。
有研究证实铁诱导的脂质过氧化改变了线粒体呼吸链氧化磷酸化反应、内膜屏障作用、线粒体跨膜电位和线粒体缓冲钙的能力。
磷脂中的心肌磷脂只在线粒体中出现,且主要存在于线粒体内膜,心肌磷脂所必需的高度不饱和特性的脂肪酰链,使许多包含在线粒体呼吸链中的蛋白处于最佳功能。
已有实验证明,增加的线粒体ROS也许导致了氧化作用和心肌磷脂的缺失,抑制了细胞色素C氧化酶活性,心肌磷脂的过氧化作用表明内膜的屏障作用受损,以及使细胞色素C更容易从线粒体电子传递链中分离。
氨基酸残基的直接氧化作用促进了蛋白硫氢基团或羰基构成的变化,改变了蛋白结构,导致了正常功能的丢失,有证据显示在衰老过程中线粒体内被氧化修饰的蛋白数量明显增加。
对不同年龄段的人类皮肤成纤维细胞的研究表明,老年人比青年人的成纤维细胞有更高的蛋白氧化水平。
有研究表明,衰老大鼠组织中线粒体谷胱甘肽被显著的氧化,研究发现衰老过程中肝脏、肾脏和脑内氧化性谷胱甘肽和还原性谷胱甘肽的比率以及氧化修饰的线粒体DNA 内容物之间的比率同时增加。
有研究表明衰老的动物的线粒体蛋白中,顺乌头酸腺嘌呤核苷酸移位酶是氧化损伤的首选目标,线粒体顺乌头酸酶对超氧阴离子有高度的敏感性,在其活性部位使硫铁簇失活。
3 衰老过程中抗氧化体系的变化在进化过程中,哺乳动物细胞发展了一系列的抗氧化酶,以对抗和清除正常生理条件下有氧代谢产生的RO S,这些酶包括锰超氧化物歧化酶(M nS OD)、铜、锌超氧化物歧化酶(Cu/ZnSOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化氢酶(GPX)、谷胱甘肽还原酶(GR)。
M nS OD和Cu/ZnS OD将超氧阴离子转变为H2O2,然后通过G PX和CAT转变为水。
还原型谷胱甘肽被用来保护蛋白的硫氢基团以及维持细胞适宜的氧化还原梯度。
氧化型谷胱甘肽通过GS H转变为还原型谷胱甘肽或其他小分子量的巯基化合物蛋白,如硫氧还蛋白。
在正常的生理条件下这些抗氧化酶和蛋白与其他小分子量的抗氧化物能清除RO S和自由基。
然而,过量的ROS产物也许能破坏抗氧化防御系统而产生氧化损伤,已有证据指出随着衰老的进行,在人类皮肤成纤维细胞中,Cu/ZnSOD、CAT和G PX活力降低了,但M nSOD随着年龄到65岁仍增加,而后才逐渐降低。
一般认为在衰老过程中抗氧化能力的降低和自由基清除酶表达的不平衡导致了氧化应激的增加以及组织细胞氧化损伤的发生。
在对一些自由基清除酶缺失的衰老动物的研究中证实了抗氧化酶在衰老过程中的重要性。
又研究观察到基因突变的果蝇Cu/ZnS O D或CAT基因增加了对氧化应激的敏感性,降低了存活力,缩短了生命周期。
M nS OD缺失的小鼠表现出了新生小鼠的致死现象、扩张性心肌病和肝脏中脂质的积累,同时表现出了严重的线粒体功能紊乱,增加了对线粒体的氧化损伤。
在衰老进程中线粒体M nS OD部分缺失的小鼠(SOD +/-)提供了一个增加的内源性线粒体氧化应激模型,在整个生命周期所有的组织中这些小鼠减少了30%-80%的线粒体,M nS OD活性并伴随着低水平的谷胱甘肽,而其他抗氧化酶活性没有明显的改变,如Cu/ZnSOD、G PX和C AT。
在老年SOD+/-小鼠中尽管线粒体释放的过氧化氢和野生型小鼠一样多,但SOD+/-小鼠表现出了严重的氧化损伤。
同时观察到SOD+/-小鼠降低了复合物I的电子传递链活性、增加了质子漏、降低了呼吸控制比率、线粒体膜电位以及A TP合成活力。
这些发现表明增加的内源性抗氧化酶的缺失导致了线粒体呼吸链酶系的缺失。
4 衰老过程中线粒体DNA的修复4.1 线粒体DNA的修复在人类中,线粒体DNA编码了13个多肽,这13个多肽是氧化磷酸化的主要组成部分,并编码了线粒体内蛋白质合成所必须的2种rRNA(12S和16S)和22种t RNA,由于线粒体DNA在能量代谢中编码蛋白的重要作用,所以这些蛋白的突变或丢失能导致线粒体功能的紊乱、RO S产物的堆积和细胞凋亡。
图1 线粒体DNA氧化损伤及修复K i shor K.Bhaka,t Sanath K.M okkapat,i,and et a.l m olecularand ce llular b i o logy,2006在增龄过程中,线粒体DNA累积了大量的8-羟基-2-去氧鸟嘌呤核苷酸(8-oxoG7,8-d i hydro-8-oxoguanine),普遍认为是由ROS引起的,并也成为m t DNA(线粒体DNA)氧应激损伤的重要标志。
A错配为8-oxo G可导致G C T A 的转换突变。
一般情况下这种突变可以被切除修复,在核和线粒体中均存在着该途径。
在碱基切除修复中,8-oxoG被特定8-氧化鸟嘌呤NDA糖基化酶(OGG18-oxoguani ne-DNA g lycosy l ase)切除,产生的A P(无碱基)位点被AP内切核酸酶以及外切核酸酶切除并扩展成一个缺口,该缺口由DNA聚合酶来填补,DNA连接酶将催化最后的磷酸二酯键的形成(图1)。