线粒体基因组单倍型影响疾病发生的核-线粒体相互作用机制研究

It is not surprise that the mitochondrial DNA (mtDNA) haplogroup plays a role in multiple degenerative diseases such as cancer, aging and osteoarthritis. However, as most of these studies are purely descriptive, there remains a yawning gap in the understanding of the association of mtDNA haplogroup with diseases. Previously, we had showed that mtDNA haplogroups may play roles in the risk of human diseases through mitochondrial-mediated signaling pathways (retrograde signaling pathways) in addition of altered ATP generation and ROS levels. To uncover the underlying mechanism of mtDNA haplogroup in human disease, we are planning to construct 23 fusion cells of different haplogroups from the 11 major branches of phylogenetic tree in China and the oxidative phosphorylation (OXPHOS) of different haplogroups will be determined. Next, the gene expression profiles will be analyzed through RNA-sequencing to build a network of mitochondrial-nuclear interaction (retrograde signaling). At last, we will ask how OXPHOS regulate the mitochondrial-mediated retrograde signaling. We expect that our proposed research will provide important and previously unrevealed mechanisms of mtDNA haplogroup in the pathogenesis of multiple mitochondrial related degenerative diseases.

项目申请人和其它科研工作者已经发现人类线粒体DNA古老变异类型（单倍型）与多种疾病的发生有关。但是，线粒体单倍型在疾病发生中的作用机制仍不明确。根据我们近期发表的工作以及部分前期研究结果，我们发现不同线粒体单倍型对疾病发生的影响不仅是因为氧化磷酸化（OXPHOS）功能变化所致的ATP生成改变和ROS对细胞的损伤作用。OXPHOS功能变化所致的核-线粒体相互作用（逆向信号通路）改变极有可能在疾病发生过程中起着重要的作用。基于这一观点，我们将以中国人线粒体单倍型为研究对象，绘制中国人线粒体单倍型的核-线粒体相互作用图谱。随后通过细胞生物学以及分子流行病学技术来明确线粒体单倍型是如何通过调节OXPHOS功能来改变核-线粒体的相互作用，并以此进一步影响疾病的发生。本课题若能完成，不仅能够进一步阐明线粒体单倍型在疾病发生中的核机制；还将为单倍型相关疾病的个性化预防和治疗提供理论支持。

大量研究表明人类线粒体DNA单体型与多种疾病的发生有关。但是，线粒体单倍型在疾病发生中的作用机制仍不明确。在本项目我们完成了：①构建了23个覆盖中国人线粒体单倍型所有主要分支的融合细胞。并从DNA、RNA和蛋白质水平方面来验证了不同单体型融合细胞的 OXPHOS 功能的变化，同时对细胞内逆向信号通路的第二信使分子 ROS 及 NAD+/NADH 进行检测，发现不同单体型其功能存在差异。②流行病学调查发现，mtDNA单体型 M8a人群比 G2a人群具有更高的患 T2DM 的风险；mtDNA 单体型 B4a 与衰老正相关而单体型 D4 与衰老负相关；单体型 G 是 OA 的危险因子；单体型 D5 是乳腺癌的危险因子；N9a 是 HCC 的保护因子，然而是 T2DM 的危险因子。③线粒体单倍型影响疾病发生的机制研究，我们证实了除 OXPHOS 功能变化所致的ATP和ROS的生成改变对细胞的直接损伤作用外，OXPHOS功能变化所致的核-线粒体相互作用（逆向信号通路）的改变在疾病发生过程中也起着重要的作用。如单体型N9a可能通过激活ERK1/2信号通路增加了人群 T2D 的患病风险、单体型 D5细胞内ROS水平的升高可能会通过AKT的激活增加了乳腺癌的发病风险，单体型G可能通过将代谢从糖酵解转变为OXPHOS以及过度激活OA相关的信号通路来增加OA的风险。