研究线粒体DNA表观遗传学的作用以及展望(2)

　　
　　对老年男性受试者进行12S和16S rRNA编码区甲基化胞嘧啶残基的分析， 发现12S rRNA甲基化水平随年龄变化， 随着年龄增加而明显下降。mt DNA的Cp G岛高甲基化与癌症、肌萎缩侧索硬化 （ALS） 、糖尿病性视网膜病变以及机体环境毒物暴露反应有关；唐氏综合征患者发现mt DNA的Cp G岛呈低甲基化状态[13].mt DNA表观遗传产物作为一种新的生物学标志， 用于相关疾病检测。
　　
　　3、细胞核-线粒体表观遗传交叉串话
　　
　　线粒体作为一个信号传导的细胞器， 细胞核通过“顺行调节” （信号从核到线粒体） 促进其生物合成并调节活性。同时， 线粒体也可通过“逆行反应” （信号从线粒体到细胞核） 反向调控核基因的表达， 经重编程而参与修饰细胞的功能。细胞内双向的信息传导称为线-核交叉串话， 组成稳定而庞杂的信号网络， 以维持细胞内动态平衡[14].
　　
　　3.1 顺行调节
　　
　　细胞核编码大多数线粒体蛋白并输送到线粒体中执行功能， 通过检测细胞代谢条件变化的多重感受器激活顺行信号通路， 并根据线粒体的生物能量和生物合成输出， 从而适应细胞的不同需求；该过程需激活几种核编码的转录因子和共激活因子， 诱导线粒体基因表达并调节线粒体蛋白质组。
　　
　　由核DNA编码的聚合酶γ （Pol-γ） 亚酶， 即Pol-γA, 负责线粒体复制和修复， 通过其第二外显子内Cp G岛的DNA甲基化调节表达下调；Pol-γA表达与mt DNA拷贝数量成线性关系[15].在哺乳类动物中， 氧化应激影响过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α （PGC1α） 的稳定性， 可激活几种核编码转录因子[包括核呼吸因子1 （NRF1） ]的转录。PGC1α和NRF1形成复合物能上调线粒体转录因子 （TFAM） 和线粒体呼吸链复合体的多个组分转录， 而两者表达均受到DNA甲基化调节。
　　
　　胸苷激酶 （TK2） 在线粒体中参与脱氧核苷酸合成的补救途径， 在细胞核中能促进维持细胞n DNA完整性。扩张型心肌病患者心脏中TK2基因的启动子区高甲基化而使蛋白水平降低， 最终导致mt DNA耗尽[16].
　　
　　核编码miRNA涉及线粒体的外膜或基质， 在线-核表观遗传串话中起重要作用， miRNA的存在表明基因表达核-线双向调节的复杂性。很多由核编码的miRNA在线粒体中参与调节转录和细胞代谢[17].对mt DNA转录产物分析和深度测序揭示线粒体基因组内存在编码的miRNA[18].若其与核对应物类似地调节线粒体基因表达， 则具有影响核基因表达的功能。
　　
　　DNA发生快速或动态甲基化后与甲基-Cp G结合域蛋白 （MBD） 进行结合发挥作用， 从而对人体细胞分化、增殖和分裂、正常发育、干细胞多能性、基因表达和抑制以及癌症发挥重要作用[19];线粒体也参与其中， MBD家族是否也会进入线粒体或作用于mt DNA, 对线粒体的表观遗传调控机制研究具有重要意义。
　　
　　3.2 逆行反应
　　
　　线粒体维持基因组DNA的稳定性， 是氧化磷酸化 （OXPHOS） 的作用位点及众多代谢和信号通路的交叉点。线粒体的代谢反应控制着某些关键信号分子以调节核基因的表达， 并可触发各种逆行信号通路， 且激活许多有利于线粒体稳态恢复和促进细胞存活的反应过程。逆行反应的标志之一是能延长细胞复制和寿命[20].
　　
　　3.2.1 组蛋白修饰：
　　
　　组蛋白修饰严格依赖细胞内的能量状态、线粒体功能及其中间产物的作用。组蛋白乙酰转移酶 （HATs） 和去乙酰化酶 （HDACs） 的活性依赖ATP水平和线粒体功能， ATP和乙酰Co A减少会降低NADH/NAD+还原当量， 而mt DNA损伤会导致线粒体功能障碍， 降低组蛋白特定位点标志物的乙酰化水平， 乙酰Co A消耗可能增加DNA甲基化水平[4].线粒体三羟酸循环对于组蛋白乙酰化调节非常重要。HDACs利用NAD+从底物的赖氨酸残基移去乙酰基， 尽管去乙酰化酶活性对细胞内NAD+含量敏感， 但缺乏线粒体控制去乙酰化酶的证据而需要进一步研究。
　　
　　组蛋白去甲基化酶 （HDMs） 包含Jumonji C （Jmj C） 结构域的赖氨酸去甲基化酶 （JMJD） , 可通过2-酮戊二酸 （2-OG） 和Fe （Ⅱ） 激活， 2-OG是TCA循环产物并通过载体运输至细胞核， 作为TET蛋白的底物促进5m C转换， 但琥珀酸和延胡索酸作为JMJD和TET酶的竞争性抑制剂而促使DNA维持高甲基化水平， 在癌症发展过程中是组蛋白和DNA的强诱导剂[21].研究显示组蛋白甲基化转移酶 （HMTs） 也能调节线粒体功能， 如抑制赖氨酸去甲基化转移酶SETD7/9, 促进线粒体生物合成并通过PGC1α和NFE2L2激活抗氧化反应[22].
　　
　　3.2.2 mtROS:
　　
　　OXPHOS副产物和NADPH-氧化酶1 （Nox1） 产生活性氧簇 （ROS） 并影响表观遗传学信号。适量的毒物刺激产生mtROS, 能激活Tel1p和Rad53p （哺乳动物DNA损伤反应激酶ATM和Chk2同源物） , 而Tel1p和Rad53p的OXPHOS, 使亚端粒异染色质H3K36的去甲基化酶Rph1p失活， Rir3p结合增强， 导致端粒相关基因转录沉默， 参与对细胞寿命的调节[23].过量ROS氧化应激损伤线粒体功能， 对mt DNA产生基因毒性；并导致不可逆氧化损伤和细胞死亡；线粒体基因组邻近ROS位点， 无内含子、保护性组蛋白及有限DNA修复能力， 对ROS损伤尤为敏感。3.2.3线粒体解折叠蛋白反应 （UPRmt） :蛋白质稳态有赖于其结构的折叠与降解的平衡， UPRmt是逆行反应的一种形式， 有助于维持线粒体蛋白的稳态。UPRmt是对蛋白毒性应激的保护性或适应性反应， 可促进线粒体伴侣蛋白和其他应激反应基因表达， 并通过线粒体-核反馈信号恢复细胞器的蛋白质内稳态[24].由ROS引起的线粒体应激反应超过其最大缓冲能力时， 未折叠、错误折叠或未组装的蛋白质就会积累， 最终导致线粒体及细胞的功能障碍。
　　
　　UPRmt在线粒体稳态、氧化应激反应和线粒体自噬中充当重要的调节者。与线虫有关的UPRmt信号传导的线粒体应激反应显示， 当线粒体电子传递链和其核糖体功能受到抑制时， UPRmt的特异性细胞器蛋白质保护反应激活， 在线粒体应激下， 改变一系列蛋白的性质使得寿命延长， 涉及H3K9和H3K27及其去甲基化酶的作用[25].
　　
　　核编码线粒体蛋白和线粒体编码蛋白之间的比例失衡， 与UPRmt以及长寿有关， 辅酶Ⅰ （NAD+） /去乙酰化酶1 （SIRT1） /UPRmt/超氧化物歧化酶 （SOD, 如H2O2） 信号通路与FOXO信号激活的寿命调控之间存在关联。UPRmt与老年造血干细胞的再生能力有关， 激活先天免疫基因的表达， 提示线粒体参与广泛的先天免疫途径， 释放诱导先天免疫和全身炎症反应的线粒体损伤相关分子模式 （DAMPs） 信号[26-27]. …… 此处隐藏：1282字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……