NO.1
点击蓝字 关注我们
线粒体功能障碍和代谢下降的因果关系是衰老研究[1]的核心问题。在许多模型系统[2]研究中发现，线粒体膜电位（Δψm）随着年龄的增长而降低。膜电位是多种线粒体功能的基本驱动因子，包括ATP的产生、免疫信号转导以及遗传和表观遗传调控[3]。因此，Δψm的降低是对衰老产生的复杂功能障碍的一个强有力的解释。然而，目前尚不清楚膜电位的下降是细胞衰老的原因还是结果。
为了在后生动物中寻找答案，美国罗彻斯特大学医学中心Andrew P. Wojtovich团队在线虫中构建了一个线粒体靶向的光激活质子泵，利用光的能量激活质子泵，以此来增加线粒体膜电位，该工具称之为：“mitochondria-ON” or mtON。当然，mtON的活性发挥离不开两大要素：光激活和一个辅助因子——全反式视黄醛（all-trans retinal，ATR），因线虫体内不能产生ATR，因此需要在平板中添加ATR。
光激活mtON，延长线虫寿命
作者在实验中发现，秀丽隐杆线虫的Δψm随着年龄的增长而自然下降（见图1）。然而，在两种不同的遗传背景下，从线虫成年期开始进行光照处理，mtON的激活逆转了该现象，并促使线虫寿命产生不同程度的延长（见图2）。使用两种线虫株在不同光强度下进行实验，均呈现了寿命延长的现象（见表1）。同时，通过线粒体染色和定量蛋白质组学观察，mtON激活并不影响线粒体质量。
图1 通过TMRE染色显示野生型线虫的膜电位随年龄增长而下降
图2 利用CRISPR技术产生mtON单拷贝表达，光激活mtON后呈现膜电位的上升
（成虫第4天进行成像及检测）
表1 两种不同背景线虫株，在不同光照强度下，寿命产生不同程度的延长
光激活mtON，改善生理功能
包括人类和秀丽隐杆线虫在内的生物体，随着年龄的增长，其生理功能也发生不同程度的衰退[4]。而实验表明，mtON光激活可以改善生理功能，具体表现为线虫在液体中的摆动速率得以提高（见图3），但在固体培养基中的运动速度并无明显变化。作者认为，与年龄相关的生理功能障碍，可能可以通过直接逆转随年龄增长而发生的Δψm损失而得到改善。
图3 光激活mtON后，线虫运动速率的变化
光激活mtON，探索信号通路
光激活mtON是如何延长线虫寿命呢？为了探索其潜在的信号通路，作者测试了mtON在具有AMPK活跃信号的长寿线虫中的作用，mtON激活进一步增加了该背景线虫的寿命，这表明Δψm的增加可通过经典信号通路促进长寿（见表2）。
表2 以具有AMPK活跃信号的长寿线虫为遗传背景表达mtON与仅表达mtON的野生型线虫在不同光照强度下的寿命情况
总结
这项研究使用了一种新技术，利用光的能量产生∆ψm，以此来验证∆ψm决定秀丽隐杆线虫寿命的假设。先前的研究报道，在发育过程中抑制线粒体功能可以延长寿命，而本文作者的研究手段则是干预成年期线虫的线粒体功能来达成延寿的目的。在成年期保持较高的∆ψm的措施，足以减缓正常的衰老，改善一些生理功能。这项工作为了解线粒体功能在衰老过程中的作用，并提出了利用光遗传技术作为能量替代来源来延缓衰老的新方法的潜力。
参考文献
[1] Berry, B.J. and M. Kaeberlein, An energetics perspective on geroscience: mitochondrial protonmotive force 142 and aging. Geroscience, 2021. 43(4): p. 1591-1604.
[2] Hughes, C.E., et al., Cysteine Toxicity Drives Age-Related Mitochondrial Decline by Altering Iron
146 Homeostasis. Cell, 2020. 180(2): p. 296-310 e18.
[3] Martínez-Reyes, I. and N.S. Chandel, Mitochondrial TCA cycle metabolites control physiology and disease.
152 Nat Commun, 2020. 11(1): p. 102.
[4] Glenn, C.F., et al., Behavioral deficits during early stages of aging in Caenorhabditis elegans result from
locomotory deficits possibly linked to muscle frailty. J Gerontol A Biol Sci Med Sci, 2004. 59(12): p. 1251-60.
