科学公园专访董梦秋

　　寿命可以预测吗？2014年2月12日，北大分子医学研究所程和平课题组与北京生命科学研究所董梦秋课题组在《自然》杂志发表了最新研究进展：3日龄秀丽线虫中线粒体超氧炫频率可以预测其寿命长短。该发现的实验结果支持了广义的线粒体衰老学说，同时还为程序化衰老学说（programmed theories of aging）提供了迄今为止最有说服力的实验证据。为了深入了解这项最近成果的详情，科学公园特联系了董梦秋研究员，就读者感兴趣的问题请教了她。

　　董梦秋博士（图片来源：NIBS）

　　能否简要介绍一下这篇文章中的发现以及背景？

　　线粒体是所有动植物细胞中广泛存在的一种细胞器，掌管能量代谢、应激与凋亡等功能，同时也是细胞活性氧自由基生成的主要场所。

　　1972年，Harman提出了“线粒体衰老学说”。其核心思想是，自由基损伤的累积导致机体的衰老，而线粒体既是细胞活性氧自由基生成的主要场所，也是首当其冲遭受自由基攻击的目标；为了维持细胞的能量供应，受损的线粒体必须加大马力，于是产生更多的自由基，造成更多损伤，如此恶性循环，最终导致线粒体功能的崩溃以及整个机体的不可逆的损伤，所以，Harman猜想线粒体产生的活性氧自由基驱动了机体的衰老。这是衰老的主流学说之一，但苦于缺乏合适的实验手段直接检验这一假说，几十年来争论不断。 因为活性氧自由基的源头是反应活性极强、存在时间极短的超氧阴离子自由基，难以直接检测，所以研究者只能分析过氧化物等较为稳定的活性氧分子和清除活性氧自由基的酶，以及增补还原剂或氧化剂，检查它们对生物体寿命的影响。结果是既有大量实验证据支持，也有大量实验证据反对线粒体衰老学说。

　　2008年，北大分子医学研究所程和平课题组采用新颖的线粒体定位的超氧探针cp-YFP，观察到单个线粒体内超氧阴离子自发性爆发现象，称之为线粒体“超氧炫”。细胞内超氧炫在时间和空间上随机发生，与线粒体代谢状态、呼吸链氧化磷酸化活性、钙信号、基础活性氧水平等紧密相关。

　　cp-YFP超氧探针的发现令人激动——终于有一个方法可以实时监测线粒体内超氧阴离子的产生。我们实验室一直以线虫为模式系统研究衰老。线虫体长仅1 mm，通体透明，非常适合活体成像。我们将线粒体定位的cp-YFP表达在秀丽线虫体内，从成虫第1天观察到第19天，非常惊讶地发现野生型线虫咽部超氧炫频率在第3天和第9天出现两个峰值，恰好分别对应于线虫的生育高峰期和开始有个体死亡的阶段。对于长寿命的突变体线虫，这些峰后移，而对于短寿命的突变体，第二个峰前移，暗示了线粒体的功能活性与衰老有着密切关系。

　　寿命受基因、环境和随机三类因素影响。文章分析了29种不同的遗传背景（失活或高表达每个基因）以及26个环境因素，结果表明成虫第3天的超氧炫频率与寿命呈明显的负相关，超氧炫频率的差异可以解释至少50%的寿命变化。生长在相同环境下、具有相同基因型的生物群体中个体之间的寿命可以差好几倍， 这主要是受随机因素的影响。文章发现，不论在野生型还是在带有长寿或短寿的基因突变的遗传背景下，成虫第3天的超氧炫频率与寿命的负相关依然存在。

　　3日龄秀丽线虫中线粒体“超氧炫”（图片来源：NIBS）

　　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。

　　值得注意的是，这篇文章的实验结果并非直接证明线粒体产生的活性氧自由基驱动了机体的衰老，而是广义地证明线粒体与衰老有内在的、紧密的联系。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。

　　与其它细胞器相比，线粒体有哪些特殊性让它在衰老中扮演如此重要的角色？

　　线粒体是一个非常特殊的细胞器。

　　第一，它是细胞的能量加工厂，通过呼吸代谢为细胞的生命活动提供能量。如果线粒体停止能量的供应，生物体的很多机能会出现不正常甚至停止，最终可能导致死亡。

　　第二，在代谢的过程中，线粒体会产生很多代谢中间物或小分子，它们都可能通过不同方式参与细胞状态的调节。例如，乙酰辅酶A的产生，可以影响到组蛋白的乙酰化修饰。

　　第三，线粒体是一个半自主性的细胞器，拥有自己的基因组，并且可以编码13个参与呼吸链的蛋白，这些蛋白功能的失调，都会干扰线粒体的功能状态和生物学功能。

　　第四，细胞内绝大多数（90%）的氧气都是被线粒体消耗的。消耗这些氧气的同时，它会产生大量的高反应活性的自由基，进而破坏生物大分子的生物学功能，引起生物体机能下降和病变。值得一提的是，活性氧自由基是一柄双刃剑，它们既有传递信号的作用，也能引起伤害，所以生物体活性氧自由基水平过高或过低都是不利的。

　　mitoflash为什么译为“超氧炫”，而不是直译为诸如“线粒体闪烁”等？

　　这是程和平老师命名的。我们很喜欢。“超氧炫”比“线粒体闪烁”听起来更炫，有时代感，更能反映这种现象的背后是线粒体活性氧自由基的爆发式的产生。

　　根据介绍，秀丽线虫mitoflash出现在期3日龄和9日龄出现峰值。请问这两个峰值时间点是固定的吗？在不同遗传背景或饲养条件下会不会不同？

　　对于20 ºC培养的野生型线虫，这两个峰出现的时间基本在成虫第3天和第9天，但是在不同的遗传背景和饲养条件下它们的时间可能会改变。例如，第二个峰在长寿的daf-2和age-1 突变体线虫中后移，而在短寿的hsf-1和elo-5突变体线虫中前移。

　　据说“细胞内超氧炫在时间和空间上随机发生”，而该研究测定的是线虫咽部肌肉的mitoflash。为什么？

　　线虫咽部肌肉细胞中的线粒体不仅密集，而且排列整齐，荧光也比较强，这些都利于准确观察。我们也观察了其它组织如肠道和体壁肌肉，cp-YFP的荧光弱，超氧炫的活性非常低，不利于准确测量。

　　该研究中发现9日龄mitoflash也出现一个峰值，但据介绍这与个体寿命则没有相关性。那么9日龄的mitoflash有无其他的生物学意义？

　　第9天的峰值非常有意思，它与野生型线虫开始死亡的“年龄”恰好一致。可惜第二个峰出现的时间不定，在不同的遗传背景和饲养条件下它可能前移或后移；如果固定在第9天，只观测这一个时间点，它的频率与个体寿命则没有相关性。我们猜测，第二个（而非第9天的）Mitoflash峰与衰老的关系有重要的生物学意义。

　　超氧炫的发生与线粒体的mRNA衰老是否存在一定的相关性？

　　这些研究恰好都体现出线粒体在衰老中起关键作用。

　　之前哈佛医学院的科学家曾经发现过小鼠的线粒体mRNA衰老与年龄老化相关（小鼠逆生长新闻http://www.scipark.net/news/sci_xp138.html），和这次的研究有没有什么关联？

　　目前不清楚这两个现象之间的关联。

　　能否对比一下其它真核生物（如果蝇、小鼠、人类）和线虫的情形？这些发现对人类衰老的研究有什么启发？有没有在其它模型动物中研究超氧炫的计划？

　　线虫是一个具有很多优势的遗传系统，寿命短，是研究衰老的理想动物模型。目前，只有在线虫中开展了mitoflash与衰老的相关工作，其它动物模型还未触及。

　　线粒体超氧炫“数字钟”与衰老生物钟的关系模型

　　能否评价一下这项研究发现的意义？

　　该研究发现的意义在于：

　　第一，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；

　　第二，为程序化衰老学说提供了可能是迄今为止最有说服力的实验证据；

　　第三，mitoflash 为抗衰老基因的筛选提供了可能性，也为其它有关线粒体的研究提供了强有力的工具。

　　这方面的研究目前我国和欧美国家相比有哪些优势和不足？

　　我不太喜欢这样的比较。以我们自己对问题的理解，尽最大努力认真踏实地回答问题就可以了。

　　您在美国和中国的顶级科研院校都工作过，能否谈一些对中美差异的感受？

　　和我以前工作过的科研院校相比，NIBS的科研环境和学生素质一点都不差，甚至更好。