撰文|易

線粒體作為細胞的能量工廠，其通過氧化磷酸化合成三磷酸腺苷的功能對于真核生物的生命至關(guān)重要。然而，這一過程依賴于細胞核和線粒體自身兩個基因組的協(xié)同合作，這是線粒體遠古內(nèi)共生起源的遺留特征。與核基因組不同，線粒體DNA是母系遺傳的，且突變速率極高（約是核基因組的10-30倍），這對其與核基因組的兼容性構(gòu)成了持續(xù)威脅。更復雜的是，每個細胞含有成百上千個mtDNA拷貝，突變通常只影響一部分拷貝，這種狀態(tài)稱為“異質(zhì)性”。雖然異質(zhì)性允許細胞通過野生型mtDNA進行功能補償，但也使得有害突變有可能在群體中積累和擴散。為了應(yīng)對這一問題，生物體在進化中形成了一種“遺傳瓶頸”機制，即在生殖細胞發(fā)育過程中大幅減少mtDNA數(shù)量，從而加速異質(zhì)性等位基因的分離，使有害突變在個體水平上暴露于自然選擇。然而，許多輕度有害的突變?nèi)阅芴用撨@種機制，最終導致疾病。因此，學術(shù)界推測必然存在細胞層面的質(zhì)量控制機制來清除有害的mtDNA突變，但具體機制一直不甚明了。雖然有證據(jù)表明，一種名為“線粒體自噬”的選擇性清除受損線粒體的過程可能是關(guān)鍵機制，但其在體內(nèi)的作用證據(jù)有限。一個核心的悖論是：如果存在有效的質(zhì)量控制機制，為何致病的mtDNA突變?nèi)匀荒軌蚍e累到引發(fā)疾病的水平？

近日，英國劍橋大學臨床醫(yī)學院Patrick F. Chinnery在Science期刊上發(fā)表題為

Ubiquitin-mediated mitophagy regulates the inheritance of mitochondrial DNA mutations

作者首先構(gòu)建了一個攜帶異質(zhì)性tRNA點突變（m.5024C>T）的小鼠模型，該突變對應(yīng)于人類的一種致病性變異。因為已知USP30能去除線粒體蛋白上的泛素標簽，從而抑制由泛素介導的線粒體自噬。因此，為了探討去泛素化酶USP30的作用，作者通過遺傳學方法，將組成性敲除Usp30基因的小鼠與上述突變小鼠雜交，并系統(tǒng)分析了后代小鼠的mtDNA突變負荷，以確定USP30缺失是否影響突變在母系傳遞過程中的純化選擇（即清除有害突變的過程）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當母鼠攜帶高水平的突變mtDNA時，若其后代（尤其是Usp30-/-型）也遺傳了Usp30的敲除等位基因，則其后代所繼承的突變mtDNA水平（即異質(zhì)性）會顯著降低。這一效應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的母體劑量依賴性，并且通過精確的遺傳交叉實驗將這一“純化選擇”事件的發(fā)生時間定位在受精之后、母系-合子轉(zhuǎn)換完成之前的短暫而關(guān)鍵的窗口期。這個時期恰好是胚胎自身基因開始大規(guī)模表達、并清除卵母細胞來源的組分（包括父源線粒體）的階段，與泛素介導的線粒體自噬的激活時機相吻合。

其次，作者發(fā)現(xiàn)，當細胞內(nèi)的mtDNA突變負荷（異質(zhì)性）達到一個高水平（通常>60%）時，它本身會觸發(fā)一種負反饋循環(huán)，反而抑制了用于清除它的質(zhì)量控制機制。具體的機制是，高突變負荷會損害細胞的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)——這是負責給特定蛋白（包括線粒體外膜蛋白）打上降解標簽（即泛素化）的核心系統(tǒng)。蛋白質(zhì)組學和功能實驗均證實，高異質(zhì)性細胞中多個蛋白酶體亞基和泛素化途徑組分的表達下調(diào)，導致整個系統(tǒng)的效率降低。其直接后果是，線粒體蛋白的泛素化水平下降，而泛素化正是招募自噬機器進行線粒體自噬的關(guān)鍵“吃我”信號。因此，盡管細胞的一般性自噬（即降解細胞內(nèi)其他成分的能力）并未受損，但針對線粒體的特異性自噬——即線粒體自噬——的流程被阻斷了。這使得功能異常的、攜帶高突變負荷的線粒體得以在細胞內(nèi)滯留和積累。這就像一個垃圾處理系統(tǒng)因為待處理的垃圾太多而本身發(fā)生了故障，導致垃圾無法被有效標記和清運。這完美地解釋了疾病悖論：高突變負荷通過抑制USP30所調(diào)控的上游通路，使自身得以隱身并逃避清除，從而能夠從母體傳遞給后代。因此，本研究成功地解釋了為何致病的mtDNA突變有時能夠逃脫這種質(zhì)量控制機制。

基于上述機制，本研究提出了一個潛在的治療性干預策略。如果高異質(zhì)性抑制了線粒體自噬，那么是否存在一種儲備或潛伏的自噬能力可以被激活？作者通過兩種獨立的策略——遺傳學敲低USP30和使用小分子抑制劑（CMPD39）藥理學抑制USP30——成功地驗證了這一設(shè)想。USP30是一種去泛素化酶，其正常功能是移除線粒體蛋白上的泛素標簽，從而“剎車”線粒體自噬。抑制USP30就等于松開了這個剎車，增強了泛素信號。實驗表明，在正常營養(yǎng)條件下，抑制USP30雖能增加線粒體泛素化，但不足以顯著降低異質(zhì)性。然而，當將細胞置于依賴線粒體氧化磷酸功能存活的壓力條件下（如半乳糖培養(yǎng)基），抑制USP30便能有效觸發(fā)強大的線粒體自噬，并選擇性地降低高異質(zhì)性細胞中的突變mtDNA比例。單細胞分析進一步顯示，這種處理能顯著減少攜帶超高突變負荷（>60%）的細胞數(shù)量。尤為重要的是，這種干預并未對細胞的整體健康度產(chǎn)生可檢測的負面影響，表明這是一種相對安全且特異性的靶向策略。

綜上所述，本研究不僅闡明了mtDNA突變遺傳控制的核心機制和其失效原因，更指出了USP30作為一個富有潛力的治療靶點，通過藥理性抑制其活性來激活機體固有的質(zhì)控系統(tǒng)，為預防和治療線粒體遺傳病提供了全新的思路。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr5438

制版人： 十一

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