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線粒體（Mitochondrion），是一種存在于大多數(shù)真核生物細胞中的半自主細胞器，其中含有有限的遺傳物質(zhì)，也是細胞中制造能量，為細胞提供動力的場所。除此之外，線粒體還參與到諸如細胞分化、細胞間信息傳遞和細胞凋亡等生理過程，對于我們體內(nèi)各種細胞行使正常生理功能至關(guān)重要。線粒體的結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)主要可分為外膜、膜間隙、內(nèi)膜、線粒體嵴（是線粒體內(nèi)膜向線粒體基質(zhì)折褶形成的一種結(jié)構(gòu)。線粒體嵴的形成增大了線粒體內(nèi)膜的表面積）和線粒體基質(zhì)（圖1）。

圖1 線粒體結(jié)構(gòu)

衰老，是我們每個人都不可避免的一個過程。在衰老的過程中，大腦結(jié)構(gòu)會發(fā)生難以逆轉(zhuǎn)的退行性改變，如大腦皮層的體積縮小，這種結(jié)構(gòu)改變毫無疑問會影響到大腦正常功能的運作，體現(xiàn)在我們的日常生活中，如反應(yīng)能力的下降、運動的遲緩或者心理情緒的變化等。同樣，隨著衰老的發(fā)生，存在于我們每個細胞中的線粒體結(jié)構(gòu)也會發(fā)生改變，包括線粒體嵴逐漸回縮到線粒體內(nèi)膜上、線粒體基質(zhì)碎片化、線粒體內(nèi)膜形成囊泡狀結(jié)構(gòu)和內(nèi)膜上二聚體結(jié)構(gòu)的ATP酶解聚為單體，最終外膜破裂，將細胞凋亡因子釋放到細胞質(zhì)中，導(dǎo)致細胞死亡[1]。然而，因衰老導(dǎo)致的這些線粒體結(jié)構(gòu)異常變化的分子機制尚未清楚。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉強團隊在 Cell Metabolism 期刊上發(fā)表了題為 Aging-induced tRNAGlu-derived fragment impairs glutamate biosynthesis by targeting mitochondrial translation-dependent cristae organization 的研究論文[2]，發(fā)現(xiàn)衰老大腦的谷氨酸能神經(jīng)元細胞核所釋放的谷氨酸轉(zhuǎn)運RNA（tRNAGlu），會被剪切成微小RNA片段（transfer-RNAderived small RNA，tsRNA）—— Glu-5’tsRNA-CTC并聚集在線粒體中，因此打斷了線粒體亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA（mt-tRNALeu）和亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA合成酶2（Leucyl-tRNA synthetase2，LaRs2）的結(jié)合，損害了線粒體亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA的氨基酰化和線粒體編碼蛋白質(zhì)的翻譯過程。并且，Glu-5’tsRNA-CTC的聚集也會導(dǎo)致線粒體嵴結(jié)構(gòu)改變，谷氨酰胺酶（Glutaminase，GLS）依賴的谷氨酸合成過程受損，降低了突觸間谷氨酸的含量，導(dǎo)致衰老相關(guān)表征出現(xiàn)，如記憶衰退。此外，本研究除了揭示了線粒體超微結(jié)構(gòu)對于維持生理狀態(tài)下谷氨酸穩(wěn)態(tài)的重要性，也發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)運RNA來源的微小RNA片段在衰老及衰老相關(guān)疾病中的病理作用。

研究團隊首先通過RNA測序發(fā)現(xiàn)，相較于年輕小鼠，衰老小鼠大腦中Glu-5’tsRNA-CTC明顯增多，并且Glu-5’tsRNA-CTC的增多是由血管生成素（Angiogenin，ANG，一種RNA酶A家族的核糖核酸酶，負責(zé)剪切轉(zhuǎn)運RNA）造成的。年輕時的血管生成素主要以磷酸化的形態(tài)分布在細胞核中，隨著衰老的發(fā)生，血管生成素逐漸發(fā)生去磷酸化，并逐漸分布在細胞質(zhì)中對轉(zhuǎn)運RNA進行剪切，導(dǎo)致大量微小RNA片段產(chǎn)生。值得一提的是，血管生成素上的絲氨酸28位點（Ser28）正是介導(dǎo)血管生成素磷酸化的位點。

通過標志物染色實驗，研究團隊發(fā)現(xiàn)Glu-5’tsRNA-CTC聚集在神經(jīng)元的線粒體中，在仔細比較了線粒體各結(jié)構(gòu)中Glu-5’tsRNA-CTC的含量后，確定Glu-5’tsRNA-CTC主要集中在線粒體基質(zhì)中。令人驚奇的是，線粒體中完全沒有血管生成素的存在，這說明Glu-5’tsRNA-CTC肯定是通過別的方式進入到線粒體中的，而不是直接在線粒體中被剪切而成。RNA探針和質(zhì)譜分析給出了答案，在細胞質(zhì)中合成的亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA合成酶2正是結(jié)合Glu-5’tsRNA-CTC幫助其進入線粒體的“幫兇”，亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA合成酶2結(jié)合到Glu-5’tsRNA-CTC的UUA位點后，Glu-5’tsRNA-CTC借助亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA合成酶2被線粒體吞入到線粒體基質(zhì)中。然而這種結(jié)合卻阻止了亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA合成酶2與它原本的“同伴”——線粒體亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA，因為Glu-5’tsRNA-CTC提前霸占了結(jié)合位點，使得線粒體亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA無法正常氨基酰化（圖2）。

圖2 Glu-5’tsRNA-CTC和線粒體亮氨酸轉(zhuǎn)運RNA競爭結(jié)合示意圖

亮氨酸存在于眾多線粒體基因組編碼的蛋白質(zhì)中，由于Glu-5’tsRNA-CTC的干擾，使得亮氨酸無法正常氨基?；?，導(dǎo)致線粒體蛋白質(zhì)無法正常翻譯產(chǎn)生。在前文也提到了，隨著衰老的過程，線粒體嵴會逐漸回縮到線粒體內(nèi)膜上，利用Glu-5’tsRNA-CTC敲除小鼠和透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM），研究團隊發(fā)現(xiàn)，線粒體嵴的回縮正是由于Glu-5’tsRNA-CTC引起線粒體蛋白質(zhì)無法正常翻譯導(dǎo)致的。而這最終也導(dǎo)致了線粒體功能受到影響。

谷氨酸是神經(jīng)元間信號傳導(dǎo)最常見的一類興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，從突觸前膜釋放，被突觸后膜上的谷氨酸受體識別激活下游信號。而突觸前膜中谷氨酸的合成過程中最后一環(huán)便是由谷氨酰胺酶催化谷氨酰胺轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼幔劝滨０访副闶嵌ㄎ辉诰€粒體嵴上。因此，當衰老最終導(dǎo)致線粒體嵴結(jié)構(gòu)異常后，使得谷氨酰胺酶的泛素化程度增加，導(dǎo)致大量谷氨酰胺酶被降解而含量下降，最終使得突觸間的谷氨酸含量下降，使得小鼠的記憶能力也顯著下降。以上結(jié)果除了直接說明Glu-5’tsRNA-CTC的升高與衰老導(dǎo)致的記憶缺陷有直接關(guān)聯(lián)，也提示了降低Glu-5’tsRNA-CTC的含量可以保護衰老小鼠免受線粒體功能障礙，谷氨酸代謝障礙和記憶功能障礙的影響（圖3）。

圖3 Glu-5’tsRNA-CTC病理作用示意圖

除了在小鼠上進行一系列研究外，研究團隊也在老年靈長類動物（恒河猴和人類）大腦中發(fā)現(xiàn)了Glu-5’tsRNA-CTC的含量上升。這些現(xiàn)象更進一步提示了Glu-5’tsRNA-CTC可能就是一個治療衰老相關(guān)記憶障礙的潛在靶點。因此，研究團隊設(shè)計了針對Glu-5’tsRNA-CTC的反義寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）來進行治療。反義寡核苷酸是一種化學(xué)合成的寡核苷酸，通常長度為12-30個核苷酸，能夠通過堿基配對規(guī)則與目標RNA進行配對結(jié)合，從而促使目標RNA進行降解或斷裂，或占據(jù)住目標RNA的結(jié)合位點，使其無法正常翻譯，從而起到抑制作用。研究團隊成功利用Glu-5’tsRNA-CTC反義寡核苷酸在小鼠上起到了理想的治療效果。當然，盡管研究團隊在Glu-5’tsRNA-CTC這個轉(zhuǎn)運RNA來源的微小RNA片段研究上取得了重大的突破，但實際上細胞中的微小RNA片段還有許多，不排除其它微小RNA片段也在生理或病理狀態(tài)起著重要作用，也許在未來多種微小RNA片段的反義寡核苷酸聯(lián)用不失為一種較好的治療手段。

參考文獻：

[1] Daum B, Walter A, Horst A, Osiewacz HD, Kühlbrandt W. Age-dependent dissociation of ATP synthase dimers and loss of inner-membrane cristae in mitochondria. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 17;110(38):15301-6. doi: 10.1073/pnas.1305462110. Epub 2013 Sep 4. PMID: 24006361; PMCID: PMC3780843.

[2] Li D, Gao X, Ma X, Wang M, Cheng C, Xue T, Gao F, Shen Y, Zhang J, Liu Q. Aging-induced tRNAGlu-derived fragment impairs glutamate biosynthesis by targeting mitochondrial translation-dependent cristae organization. Cell Metab. 2024 Mar 1:S1550-4131(24)00057-3. doi: 10.1016/j.cmet.2024.02.011. Epub ahead of print. PMID: 38458203.

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