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Nature:线粒体的“超氧炫”频率可预测线虫的寿

来源: 编辑: 发布时间:2017-07-20

北京生命科学研究所董梦秋实验室与北大分子医学研究所程和平实验室在一项新研究中发现,线粒体的“超氧炫”频率可以预测线虫的寿命。相关文章发表于2014年2月12日的《Nature》杂志上。

Nature:线粒体的“超氧炫”频率可预测线虫的寿命
Nature:线粒体的“超氧炫”频率可预测线虫的寿命

在这篇文章中,作者借助程和平课题组在2008年发现的线粒体超氧探针cp-YFP,直接观察单个线粒体内超氧阴离子自由基的自发的、爆发性的生成,即线粒体“超氧炫”现象。已知细胞内超氧炫的频率与线粒体呼吸、ATP合成、钙信号、基础活性氧水平等紧密相关,那么在衰老过程中,线粒体超氧炫怎么变化呢?

作者从成虫第1天连续观察到第19天,惊讶地发现野生型线虫咽部肌肉细胞的超氧炫频率在第2-3天和第8.5-9.5天出现两个峰值,恰好分别对应线虫的生育高峰期和开始有个体死亡的阶段。对于长寿或者短寿的突变体线虫,这两个峰的位置和强度都有特征性变化,暗示了线粒体的功能活性与衰老有着密切关系。

决定寿命的因素分为三类,即基因、环境和随机因素。作者发现, 三类因素对线虫寿命的影响都可以通过成虫第三天咽部肌肉细胞的超氧炫频率反映出来。第三天的超氧炫频率与寿命负相关,而第九天的超氧炫频率与寿命没有相关性。

线虫成虫第三天的超氧炫频率作为线粒体的机能状态参量可以预测寿命长短变化是一个出人意料的发现。这意味着,在动物机体功能最旺盛的时候,衰老的速度在相当大程度上已经决定了,虽然年轻时设立的衰老轨迹在后期仍然有机会被修改。该发现提示衰老是生物体程序调控的过程,与线粒体的功能活动密切相关。

本文结果对于衰老研究的理论意义在于:首先,它支持广义的线粒体衰老学说,即线粒体是遗传、环境和随机因素调控衰老的一个重要节点;同时,也为程序化衰老学说(programmed theories of aging)提供了可能是迄今为止最有说服力的实验证据。

前者有关个体衰老的原因,后者有关物种寿命的自然选择与进化。对于线虫之外的其它动物,年轻成体的线粒体超氧炫频率与寿命的负相关性是否成立,以及相关性背后的生物学机制等问题都亟待进一步研究。

我所博士研究生申恩志、宋春青(中国农业大学学籍)和北大博士研究生林渊为本文共同第一作者。通讯作者为董梦秋和程和平。台湾国立成功大学的苏佩芳和范德堡大学(Vanderbilt University)的石瑜教授(Yu Shyr)主持了数据的统计分析。我所影像中心的刘文苑和占成博士在图形数据的处理方面提供了很多支持。

本文其他作者还有董梦秋实验室的张文红、张攀,程和平实验室的林娜、徐杰佳和王显花。这项研究得到了科技部、国家自然科学基金和北京市的资助。

原文摘要:

Mitoflash frequency in early adulthood predicts lifespan in Caenorhabditis elegans

En-Zhi Shen, Chun-Qing Song, Yuan Lin, Wen-Hong Zhang, Pei-Fang Su, Wen-Yuan Liu,Pan Zhang, Jiejia Xu, Na Lin, Cheng Zhan, Xianhua Wang, Yu Shyr, Heping Cheng & Meng-Qiu Dong

It has been theorized for decades that mitochondria act as the biological clock of ageing1, but the evidence is incomplete. Here we show a strong coupling between mitochondrial function and ageing by in vivo visualization of the mitochondrial flash (mitoflash), a frequency-coded optical readout reflecting free-radical production and energy metabolism at the single-mitochondrion level2, 3. Mitoflash activity in Caenorhabditis elegans pharyngeal muscles peaked on adult day 3 during active reproduction and on day 9 when animals started to die off. A plethora of genetic mutations and environmental factors inversely modified the lifespan and the day-3 mitoflash frequency. Even within an isogenic population, the day-3 mitoflash frequency was negatively correlated with the lifespan of individual animals. Furthermore, enhanced activity of the glyoxylate cycle contributed to the decreased day-3 mitoflash frequency and the longevity of daf-2 mutant animals. These results demonstrate that the day-3 mitoflash frequency is a powerful predictor of C. elegans lifespan across genetic, environmental and stochastic factors. They also support the notion that the rate of ageing, although adjustable in later life, has been set to a considerable degree before reproduction ceases.

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