mtBER缺陷通过p53及线粒体途径参与衰老发生的机制研究

Mitochondria are highly dynamic organelles in eukaryotic cells. Mitochondrial dysfunction and its downstream events are thought to be associated with aging or age-related diseases. p53 have been shown to play important roles in cell metabolic regulation, mtDNA damage repair, mitochondrial networking and cell aging. Our previous studies have shown that defects in mitochondrial base excision repair (mtBER) are associated with increased 8-oxo-dG content, decreased degradation of damaged mitochondrial DNA (mtDNA), increased expression of p53 and p21, impaired mitochondrial activity and cell aging. The mtBER defects are also significantly associated with an increased risk of age-related disease. However, the precise molecular mechanism is not clear. In this proposal, we will explore the mechanism that contribution of mtBER defect to the aging through p53 and mitochondrial pathways by recombinant eukaryotic expression plasmids and chemical inhibitors (inhibition of the BER, p53, and mitophagy) in BER-deficient cells. The recombinant plasmids were used to express the different protein variants of BER and p53 genes, respectively. The findings in implementation of the projects will helping us to better understand the role of defective mtBER in aging and pathogenesis of age-related diseases. Therefore, it can provide a new interpretation for the prevention and treatment of age-related diseases.

线粒体是类动态结构细胞器，其功能障碍是导致衰老的重要基础。p53在mtDNA损伤修复、线粒体动态网络调控及细胞衰老方面发挥关键作用。项目申请者前期研究表明，线粒体碱基切除修复（mtBER）缺失与8-羟基脱氧鸟嘌呤（8-oxo-dG）累积、mtDNA片段化降解障碍、p53和p21表达上调、线粒体失能及细胞老化密切相关，并显著增加衰老相关疾病的罹患风险，但具体机制尚未阐明。鉴于此，本项目拟运用过表达质粒（各类BER和p53变异体编码基因）转染和化学抑制剂（抑制BER、p53、线粒体自噬）暴露，分别处理BER缺陷型细胞和MUTYH线粒体定位缺失型成纤维细胞，探索mtBER缺陷导致的mtDNA降解障碍通过p53和线粒体途径参与衰老发生的分子机制。研究结果能够阐明mtBER介导mtDNA片段化降解的具体生物学过程，揭示mtBER缺陷在衰老及相关疾病发生中的作用，为衰老相关疾病的防治提供新思路。

随着社会老龄化形成和发展，衰老及其相关疾病正构成对人类健康的最大威胁。一般认为，机体氧化损伤逐步累积、线粒体功能障碍渐进发展是衰老及相关疾病的基本病理发生过程，但其驱动分子机制及个体易感性的遗传学基础尚未阐明。碱基切除修复系统（BER system）与机体细胞内遗传物质的氧化损伤修复密切相关，推测其功能缺陷是细胞失能和细胞衰老的重要风险因素之一。因此，本项目主要探讨和回答了1）BER糖基化酶MUTYH和OGG1介导细胞失能发生的分子基础；2）其功能缺陷与衰老表型发生的关系；3）p53与MUTYH和OGG1转录表达调控的关系；4）MUTYH常见功能变异（rs10527342）抑制线粒体定位MUTYH蛋白表达的分子基础及该变异与特征性年龄疾病-特发性肺纤维化（IPF）演进的关系。该项目关键研究结果表明：（1）高氧化应激损伤状态下，BER糖基化酶主要通过介导损伤型mtDNA降解、降低mtDNA转录活性、线粒体功能障碍发生，最终藉由 Calpain激活途径促进肿瘤细胞死亡；其功能缺陷与高水平氧化剂暴露敏感性密切相关；（2）生理条件及持续低度氧化应激状态下，BER糖基化酶缺陷或抑制（BER抑制剂使用）会导致低质量mtDNA堆积、降低mtDNA转录活性、下调线粒体质量控制调节基因（如TFAM、DRP1、MFN2、ATG7等）表达，引起线粒体动力学调控（异常线粒体结构和形态）及损伤线粒体清除障碍，引起细胞失能或细胞衰老表型发生；因此，在生理条件及持续低度氧化应激状态中，MUTYH等BER糖基化酶功能正常是线粒体和细胞稳态的重要影响因素；（3）p53通过其转录依赖性调控方式正向调节MUTYH和OGG1基因转录表达；（4）MUTYH rs10527342变异导致线粒体定位MUTYH蛋白翻译抑制的关键是5’-非翻译区（5‘-UTR），且该变异纯合子携带者体细胞内存在高水平的低质量mtDNA累积，推测其是患者发病年龄和死亡年龄提前的原因之一。该课题关键数据和主要结果回答了MUTYH等BER糖基化酶缺陷导致线粒体应激在衰老及其相关疾病表型发展驱动作用。同样，本研究结果也部分揭示了线粒体应激在驱动衰老及其相关疾病发生、表型演化分子基础，这可以为其临床干预措施的发展提供潜在靶标。