揭示线粒体 DNA 隐秘突变：衰老与疾病研究的新突破

研究人员针对衰老相关问题，开展线粒体 DNA（mtDNA）隐秘突变研究，发现其与衰老及多种疾病相关，意义重大。

　　在生命的长河中，衰老一直是困扰人类的谜题，它与一系列慢性疾病紧密相连，背后隐藏着复杂的机制。目前，衰老的现有特征虽指向了一些因果因素，但寻找人类衰老的统一因素仍困难重重。体细胞衰老理论认为 DNA 突变可能是衰老的原因之一，然而核突变水平在有丝分裂后组织中可能过低，无法完全解释衰老现象。线粒体及其 DNA（mtDNA）突变与衰老的关联备受关注，mtDNA 突变数量会随年龄增加，不过，有一种在单细胞中独有的 mtDNA 突变 —— 隐秘突变（cryptic mutations），此前却鲜有人研究，因为在聚合分析中它 “隐身” 了。

为了揭开衰老的神秘面纱，探索 mtDNA 隐秘突变的奥秘，来自英国帝国理工学院（Department of Mathematics & Centre for the Mathematics of Precision Healthcare, Imperial College London）、剑桥大学（Department of Clinical Neuroscience & Medical Research Council Mitochondrial Biology Unit, School of Clinical Medicine, University of Cambridge）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解衰老和相关疾病带来了新的曙光。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，从公共数据库（如 GENE EXPRESSION OMNIBUS、Amazon Web Services）下载了超过 140,000 个细胞的单细胞测序数据，涵盖四个哺乳动物物种和七种组织，以及细胞系数据。其次，使用 STAR aligner、UMI - Tools 等工具进行数据处理，包括序列比对、去复用和 UMI 计数。然后，通过自定义的变异检测流程识别 mtDNA 突变，并对突变进行分类和统计分析。最后，利用 SCANPY 进行单细胞基因表达分析，结合蛋白质 - 蛋白质相互作用数据构建功能模块。

下面让我们来看看具体的研究结果：

1. 隐秘突变占主导且积累与寿命相关：研究人员利用单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）和单细胞染色质可及性测序（scATAC - seq）获得的突变信息研究 mtDNA 突变。研究发现，在组织中，大部分 mtDNA 突变在批量测序实验中难以检测到，而这些低异质性（heteroplasmy，指细胞中携带突变的 mtDNA 分子比例）的突变大多是单细胞独有的隐秘突变。通过比较不同年龄人类供体的隐秘位点频率谱（cryptic site frequency spectrum，cSFS），发现年龄差异越大，cSFS 差异越大，且胰腺细胞中 mtDNA 突变负荷随年龄增加，这表明隐秘突变的积累与年龄增长有关。
2. 隐秘突变达到生理相关水平且符合理论：研究人员借助群体遗传学的 Moran 模型和 Kingman 合并模型进行模拟和理论推导，通过贝叶斯推断拟合模型，得出人类 mtDNA 的突变率约为 4.6×10^-8每碱基每复制，与文献相符。同时发现，随着年龄增长，细胞中同质性（homoplasmies）突变不断增加，在人类 80 岁后，超过 20% 的细胞携带异质性 > 95% 的突变，且较短寿命的动物（如小鼠）达到高同质性水平更快，这与模型预测一致，说明隐秘突变的积累在时间尺度上与人类衰老相符。
3. 隐秘突变可中性扩张：通过对健康胰腺细胞的高质量全长 scRNA - seq 数据进行分析，研究人员发现，与其他类型突变不同，隐秘突变在异质性 > 10% 时，无论是非同义 / 同义突变比，还是不同病理类别的 cSFS 差异，都没有显示出明显的选择压力，表明隐秘突变可以中性扩张，而不像非隐秘突变那样受到强烈的选择作用。
4. 隐秘突变与细胞表型相关且符合衰老病理生理学特征：对携带高异质性隐秘突变的细胞进行差异表达基因（DEG）分析，发现多个基因的表达发生变化，包括线粒体编码和核编码的氧化磷酸化（OXPHOS）基因上调，以及与先天免疫信号、蛋白质稳态改变相关的基因表达变化，还涉及长链非编码 RNA（lncRNA）的表达改变。通过构建蛋白质 - 蛋白质相互作用模块，发现隐秘突变与内质网（ER）应激反应相关，在多个物种和组织中都证实了隐秘突变与基因表达变化的关联，且与衰老的多个特征相关。
5. 对卡路里限制和疾病的影响：研究人员利用大鼠的 scRNA - seq 数据研究卡路里限制对隐秘突变的影响，发现限制卡路里摄入可减缓大鼠肝脏和棕色脂肪组织中隐秘突变的积累，这可能是限制卡路里摄入延长寿命的机制之一。同时，通过对帕金森病（PD）和对照组的单细胞核 RNA 测序（snRNA - seq）分析，发现携带高异质性 mtDNA 突变的细胞中，有三个与神经退行性疾病相关的基因显著上调，表明隐秘突变可能与神经退行性疾病有关。

研究人员发现，隐秘 mtDNA 突变虽然在聚合分析中难以察觉，但却像时钟一样能预测年龄，是衰老的标志，在中年和晚年达到与病理相关的异质性水平。在有丝分裂后组织中，它能逃避负选择，呈中性扩张，并与衰老的多个特征相关，包括基因组不稳定、蛋白质稳态丧失、营养感知失调、线粒体功能障碍和细胞间通讯改变。此外，研究还表明抗衰疗法（如卡路里限制）可以降低隐秘 mtDNA 突变的积累速率。

这项研究为衰老和相关疾病的研究开辟了新的方向，让我们对衰老过程中 mtDNA 的变化有了更深入的理解，为未来开发针对衰老相关疾病的治疗策略提供了重要的理论依据。不过，研究也存在一定的局限性，如数据仅来自有限数量的组织，对于细胞周转等因素对 cSFS 的影响还需要进一步研究。但总体而言，该研究成果在生命科学和健康医学领域具有重要的意义，为后续的研究奠定了坚实的基础。