Science丨线粒体DNA突变继承调控的核心机理——为预防和治疗线粒体遗传病提供全新思路

撰文|易

线粒体作为细胞的能量工厂，其通过氧化磷酸化合成三磷酸腺苷的功能对于真核生物的生命至关重要。然而，这一过程依赖于细胞核和线粒体自身两个基因组的协同合作，这是线粒体远古内共生起源的遗留特征。与核基因组不同，线粒体DNA是母系遗传的，且突变速率极高（约是核基因组的10-30倍），这对其与核基因组的兼容性构成了持续威胁。更复杂的是，每个细胞含有成百上千个mtDNA拷贝，突变通常只影响一部分拷贝，这种状态称为“异质性”。虽然异质性允许细胞通过野生型mtDNA进行功能补偿，但也使得有害突变有可能在群体中积累和扩散。为了应对这一问题，生物体在进化中形成了一种“遗传瓶颈”机制，即在生殖细胞发育过程中大幅减少mtDNA数量，从而加速异质性等位基因的分离，使有害突变在个体水平上暴露于自然选择。然而，许多轻度有害的突变仍能逃脱这种机制，最终导致疾病。因此，学术界推测必然存在细胞层面的质量控制机制来清除有害的mtDNA突变，但具体机制一直不甚明了。虽然有证据表明，一种名为“线粒体自噬”的选择性清除受损线粒体的过程可能是关键机制，但其在体内的作用证据有限。一个核心的悖论是：如果存在有效的质量控制机制，为何致病的mtDNA突变仍然能够积累到引发疾病的水平？

近日，英国剑桥大学临床医学院Patrick F. Chinnery在Science期刊上发表题为

Ubiquitin-mediated mitophagy regulates the inheritance of mitochondrial DNA mutations

作者首先构建了一个携带异质性tRNA点突变（m.5024C>T）的小鼠模型，该突变对应于人类的一种致病性变异。因为已知USP30能去除线粒体蛋白上的泛素标签，从而抑制由泛素介导的线粒体自噬。因此，为了探讨去泛素化酶USP30的作用，作者通过遗传学方法，将组成性敲除Usp30基因的小鼠与上述突变小鼠杂交，并系统分析了后代小鼠的mtDNA突变负荷，以确定USP30缺失是否影响突变在母系传递过程中的纯化选择（即清除有害突变的过程）。结果发现当母鼠携带高水平的突变mtDNA时，若其后代（尤其是Usp30-/-型）也遗传了Usp30的敲除等位基因，则其后代所继承的突变mtDNA水平（即异质性）会显著降低。这一效应呈现出明显的母体剂量依赖性，并且通过精确的遗传交叉实验将这一“纯化选择”事件的发生时间定位在受精之后、母系-合子转换完成之前的短暂而关键的窗口期。这个时期恰好是胚胎自身基因开始大规模表达、并清除卵母细胞来源的组分（包括父源线粒体）的阶段，与泛素介导的线粒体自噬的激活时机相吻合。

其次，作者发现，当细胞内的mtDNA突变负荷（异质性）达到一个高水平（通常>60%）时，它本身会触发一种负反馈循环，反而抑制了用于清除它的质量控制机制。具体的机制是，高突变负荷会损害细胞的泛素-蛋白酶体系统——这是负责给特定蛋白（包括线粒体外膜蛋白）打上降解标签（即泛素化）的核心系统。蛋白质组学和功能实验均证实，高异质性细胞中多个蛋白酶体亚基和泛素化途径组分的表达下调，导致整个系统的效率降低。其直接后果是，线粒体蛋白的泛素化水平下降，而泛素化正是招募自噬机器进行线粒体自噬的关键“吃我”信号。因此，尽管细胞的一般性自噬（即降解细胞内其他成分的能力）并未受损，但针对线粒体的特异性自噬——即线粒体自噬——的流程被阻断了。这使得功能异常的、携带高突变负荷的线粒体得以在细胞内滞留和积累。这就像一个垃圾处理系统因为待处理的垃圾太多而本身发生了故障，导致垃圾无法被有效标记和清运。这完美地解释了疾病悖论：高突变负荷通过抑制USP30所调控的上游通路，使自身得以隐身并逃避清除，从而能够从母体传递给后代。因此，本研究成功地解释了为何致病的mtDNA突变有时能够逃脱这种质量控制机制。

基于上述机制，本研究提出了一个潜在的治疗性干预策略。如果高异质性抑制了线粒体自噬，那么是否存在一种储备或潜伏的自噬能力可以被激活？作者通过两种独立的策略——遗传学敲低USP30和使用小分子抑制剂（CMPD39）药理学抑制USP30——成功地验证了这一设想。USP30是一种去泛素化酶，其正常功能是移除线粒体蛋白上的泛素标签，从而“刹车”线粒体自噬。抑制USP30就等于松开了这个刹车，增强了泛素信号。实验表明，在正常营养条件下，抑制USP30虽能增加线粒体泛素化，但不足以显著降低异质性。然而，当将细胞置于依赖线粒体氧化磷酸功能存活的压力条件下（如半乳糖培养基），抑制USP30便能有效触发强大的线粒体自噬，并选择性地降低高异质性细胞中的突变mtDNA比例。单细胞分析进一步显示，这种处理能显著减少携带超高突变负荷（>60%）的细胞数量。尤为重要的是，这种干预并未对细胞的整体健康度产生可检测的负面影响，表明这是一种相对安全且特异性的靶向策略。

综上所述，本研究不仅阐明了mtDNA突变遗传控制的核心机制和其失效原因，更指出了USP30作为一个富有潜力的治疗靶点，通过药理性抑制其活性来激活机体固有的质控系统，为预防和治疗线粒体遗传病提供了全新的思路。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr5438

制版人： 十一

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