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轉運核糖核酸(tRNA)這個“娃娃機抓手”的減少和失效——

浙大科研團隊發現一個線粒體基因變異導致冠心病的新機制

發布時間:2019-03-18來源:浙大新聞辦作者:柯溢能1260

冠心病,冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的簡稱,是一種常見的復雜性疾病,由遺傳因素、環境因素或兩者相互作用所致。從全球看,冠心病越來越成為威脅人類生命和健康的因素,其發病率和死亡率近年來呈現總體上升的態勢,是重大的公共衛生問題。

近日,浙江大學遺傳學研究所管敏鑫教授課題組在國際著名期刊《核酸研究》在線發表最新研究成果,首次構建攜帶線粒體基因組15927位置上轉運核糖核酸(tRNA)基因突變的人臍靜脈內皮細胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cells,HUVEC)轉線粒體細胞系,檢測了該突變對冠心病相關組織 — 內皮細胞功能的影響,揭示了線粒體tRNA改變導致冠心病的致病機理,并為線粒體基因突變致病的組織特異性研究提供了新的思路。

這項研究的第一作者為浙江大學醫學院博士后賈子冬,共同通訊作者為浙江大學遺傳學研究所管敏鑫教授和王猛副教授。

緣起:線粒體基因突變是冠心病的危險因素之一

線粒體是人體細胞內普遍存在的一種細胞器,通過氧化磷酸化產生細胞各種生理活動所需約90%的ATP,是為細胞維持功能和代謝提供能量的“發電廠”。除了提供能量,線粒體產生細胞內約95%的活性氧,還是細胞凋亡、血紅素合成、類固醇合成、鈣離子調控和適應性產熱的控制中心。另外,線粒體通過多種信號通路調控代謝平衡,炎癥和衰老等重要生理活動,是多種重要細胞信號轉導通路的調控中心。因此,線粒體的正常活動對心血管系統的健康至關重要。

管敏鑫課題組關于冠心病的這項研究,緣起于2011年對北京地區心血管疾病患者線粒體基因突變的一次大規模篩查。在那次篩查中,科研人員發現數個呈母系遺傳特征的高血壓和冠心病家系,并鑒定出可能與高血壓和冠心病發生相關的一系列編碼tRNA的線粒體基因突變位點,其中就包括該研究中的線粒體突變位點。

當時,課題組經過功能排查研究,已經鎖定了該位點突變(線粒體tRNAThr 15927G>A)為冠心病發生的危險因素之一,但對其致病機理尚不明確。

因此,探究相關致病機制成為管敏鑫團隊亟待解決的一個難題。

創新亮點:首次雜交完成含有異源線粒體的血管內皮細胞

致病機制研究的第一個難關就在于生物實驗樣本的選定。

線粒體基因突變致病的組織特異性一直是線粒體疾病研究的難點,這個“難點”就難在沒有生物實驗樣本可以研究。一個原因是當時有個技術瓶頸,即無法對線粒體進行直接的基因編輯,無法通過基因編輯構建細胞或動物模型進行研究;另一個原因是無法確定病人的什么組織作為直接的實驗素材。

怎么辦?細胞的“雜交”開始了。

眾所周知,與冠心病發生相關的組織包括血管內皮,血管平滑肌和巨噬細胞等。其中,血管內皮損傷是動脈粥樣硬化發生的根本原因之一,也是病理過程早期最主要的標志。

本次研究中,管敏鑫團隊的科研人員巧妙地選取被廣泛應用于動脈粥樣硬化相關實驗研究中的人臍靜脈內皮細胞為實驗對象,將其線粒體剔除,并提取患者淋巴細胞中基因變異的線粒體,將兩者合二為一進行“雜交”,首次構建出攜帶線粒體特殊位點突變的病人特異轉線粒體細胞系。

七年科研進行曲:從分子和細胞層面探討線粒體基因突變對冠心病的影響

線粒體中tRNA的作用是搬運氨基酸合成蛋白質,管敏鑫課題組通過研究發現,當線粒體發生基因突變時,原來正常折疊起來的三維結構發現異常,穩態水平和氨酰化水平降低,導致蛋白質合成減少。原因是tRNA用于搬運氨基酸的分子減少,同時有的分子無效搬運增大。

圖1. 分子動力學模擬顯示線粒體tRNAThr結構穩定性降低

如何更好了解這個研究,管敏鑫團隊的科研人員向我們打了個比方。將tRNA結合氨基酸的過程看作是一個高成功率的娃娃機抓布偶的過程。作為娃娃機抓手的tRNA,因為基因突變,導致相關堿基對斷開并影響周圍力學平衡后,整個結構受到影響。這種影響表現為作為抓手的tRNA直接減少,無法結合氨基酸。另一個結果是留下來的抓手中出現“次品”無法結合氨基酸,“抓空率”大幅增加。這兩個原因導致娃娃機抓布偶的tRNA結合氨基酸整體比例降低,進而導致蛋白質合成減少,引發下游一連串連鎖反應。

第一個連鎖反應是在線粒體層面,線粒體的正常功能出現失常。由于蛋白質數量的減少,科研人員通過實驗發現,線粒體出現了氧化呼吸功能障礙,線粒體膜電位降低,以及活性氧增加。“適度的活性氧作為信號傳導是必須的,但是活性氧大量增殖后,會氧化細胞中的各類大分子。”賈子冬說,“如同蘋果‘生銹’影響口感,過度的氧化會導致分子損傷,從而導致功能受到影響。”

第二個連鎖反應發生在內皮細胞層面。線粒體功能缺陷最終導致內皮細胞凋亡水平增高,科研人員發現,內皮細胞的遷移能力和成血管能力雙雙降低,表明血管內皮細胞的正常功能發生損傷。

圖2. 攜帶突變HUVEC體外血管生成能力改變

展望:為治療冠心病發現新的潛在靶點

“血管內皮損傷正是冠狀動脈粥樣硬化發生的根本原因之一。”管敏鑫表示,課題組從分子和細胞層面探討了線粒體特定位點突變在冠心病病理過程中的作用,為冠心病的致病機制和治療方法研究提供了新的視角。“這個首次驗證的發病機理,為治療發現新的潛在靶點。”另外,課題組所使用的研究方法也將為其它線粒體疾病的組織特異性研究提供新的啟發。

該研究工作獲得國家重點基礎研究發展計劃(973計劃),國家自然科學基金以及博士后科學基金等的支持。參與該研究的作者還有浙江大學遺傳學研究所的碩士生張曄、李強和葉真珍等。 

原文鏈接:https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gky1241/5239030?searchresult=1

(柯溢能/圖片由課題組提供)

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