呂成林

(曲阜師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 曲阜273165)

人體內(nèi)存在兩套基因組，一套是位于細(xì)胞核內(nèi)的核基因組(nuclear genome)，另一套是位于細(xì)胞質(zhì)線粒體中的線粒體基因組(mitochondrial genome)。作為線粒體基因的載體，線粒體DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）是人體細(xì)胞內(nèi)唯一的核外遺傳物質(zhì)，它存在于細(xì)胞器線粒體中，能自主復(fù)制。

1 線粒體DNA（mtDNA）的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 mtDNA的結(jié)構(gòu)

mtDNA是雙鏈超螺旋環(huán)狀分子，堿基組成為A.T.G和C，長度為 16.6kb，分子量多在 1×106-200×106之間，具有自我復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的功能，兩條鏈中重鏈（H鏈）富含G堿基；輕鏈（L鏈）富含C堿基。mtDNA的可以進(jìn)行θ型復(fù)制、滾環(huán)復(fù)制或D環(huán)復(fù)制?；蚪M含有37個基因，其中13個為蛋白質(zhì)基因（包含1個細(xì)胞素b基因，2個ATP酶復(fù)合體組成成分基因，3個細(xì)胞色素C氧化酶亞單位的基因及7個呼吸鏈NADH脫氫酶亞單位的基因），2個rRNA基因，還有22個tRNA基因。

1.2 mtDNA的功能

mtDNA的功能是編碼氧化磷酸化體系中四個呼吸鏈復(fù)合物內(nèi)的13個亞單位，以及12S、16SrRNA和22個tRNA，全部參與線粒體內(nèi)膜呼吸鏈復(fù)合體氧化磷酸化能量代謝過程，合成ATP為細(xì)胞提供能量[1]。

2 mtDNA與衰老的關(guān)系

Harman首先提出衰老的自由基假說，之后又提出在人類衰老的過程中mtDNA是自由基攻擊的主要目標(biāo)。20世紀(jì)80年代初，Miquel等提出“細(xì)胞衰老學(xué)說”，認(rèn)為衰老是由于氧自由基攻擊mtDNA而引起的一個生物過程。此后十余年來，隨著mtDNA分子生物學(xué)研究的深入，mtDNA在衰老中的作用逐漸被人們所認(rèn)同。近年來，研究者提出線粒體衰老學(xué)說，認(rèn)為線粒體結(jié)構(gòu)、功能上有許多變化，與腦、心臟、肌肉、內(nèi)分泌系統(tǒng)及其他組織和衰老有關(guān)的功能下降有密切關(guān)系，并可能進(jìn)一步引起機(jī)體自由基平衡的破壞，逐步導(dǎo)致全身性生理功能的下降，并認(rèn)為mtDNA突變在衰老過程中起核心作用[2]。

衰老過程中呼吸鏈功能下降與mtDNA突變有關(guān)。mtDNA位于線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)，鄰近活性氧（Reactive Oxygen Species,ROS）產(chǎn)生部位，電子呼吸鏈在傳遞過程中產(chǎn)生的ROS易引起mtDNA氧化損傷。目前認(rèn)為，mtRNA較易發(fā)生突變，其突變幾率是核DNA的10倍以上。而ROS損傷是衰老時mtDNA突變的主要原因。由于氧自由基對mtDNA損傷的積累，受損mtDNA分子及無活性的氧化磷酸化有關(guān)酶復(fù)合物隨年齡的增長日見增多，使呼吸鏈功能減退，正常功能線粒體減少，ATP平均產(chǎn)量與總產(chǎn)量皆有下降，這是生物衰老與一些老年退行性疾病的發(fā)病基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)：線粒體磷酸化系統(tǒng)中產(chǎn)生的自由基隨年齡而逐漸增加，當(dāng)積累到一定程度時就會傷mtDNA的復(fù)制、線粒體tRNA（轉(zhuǎn)移核糖核酸）和rRNA（核糖體核糖核酸）的生成及蛋白質(zhì)合成等一系列過程，從而導(dǎo)致線粒體結(jié)的改變和功能的退化，最終影響ATP（三磷酸腺）的生成，能量供應(yīng)不足而使機(jī)體代謝能力下降，發(fā)生一系列衰老變化。

正常人體衰老過程中，mtDNA的缺失突變會因細(xì)胞內(nèi)mtDNA的大量拷貝而逐漸積累。不同組織衰老過程中mtDNA缺失突變積累的量不盡相同。但在mtDNA發(fā)生缺失的數(shù)量與CytC氧化酶活力的降低之間始終存在直接關(guān)系。骨骼肌是mtDNA缺失最多見的一種靶組織。大鼠腦及心臟也存在mtDNA突變積累。在大鼠肝臟中沒有觀察到類似結(jié)果。有學(xué)者認(rèn)為，5kb的mtDNA缺失加上其它mtDNA突變，就有可能達(dá)到線粒體氧化磷酸化功能降低的閾值。盡管線粒體DNA突變在衰老組織中已被廣泛觀察到，但mtDNA突變多大程度參與了線粒體功能的退行性變化及其在衰老進(jìn)程中的意義尚不十分清楚。

3 mtDNA在運(yùn)動延緩衰老中的作用

研究衰老的最終目的是為了延緩衰老，這不僅是生命科學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和預(yù)防醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，也是運(yùn)動醫(yī)學(xué)所關(guān)注的研究領(lǐng)域。盡管有關(guān)衰老的學(xué)說眾說紛紜，尚無明晰的定論，但線粒體功能的改變在細(xì)胞、組織和器官衰老過程中的作用和意義是不容忽視的。運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大量研究已證實(shí)長期有氧運(yùn)動訓(xùn)練，可使線粒體產(chǎn)生適應(yīng)變化，提高氧化磷酸化功能。

機(jī)體衰老的一個重要標(biāo)志是最大有氧工作能力的下降，表現(xiàn)在最大攝氧量隨增齡而降低。其中，線粒體年齡依賴性的氧利用能力的降低、功能下降可能是重要的限制因素之一。眾多相關(guān)研究表明，運(yùn)動特別是有氧運(yùn)動訓(xùn)練可提高機(jī)體的有氧代謝水平，增進(jìn)有氧工作能力。近期有關(guān)運(yùn)動與衰老的研究表明，運(yùn)動訓(xùn)練可提高衰老大鼠線粒體基質(zhì)酶及呼吸鏈酶活性。Brierley等人的研究結(jié)果表明線粒體酶活性與身體活動相關(guān)。身體活動減少可能是線粒體功能隨衰老而下降的重要原因[3]。Ji等人觀察到老年大鼠股外側(cè)肌檸檬酸合成酶和蘋果酸合成酶活性明顯降低，10周跑臺訓(xùn)練后酶活性分別提高71%和48%[4]。Tate等人的研究表明衰老大鼠心肌線粒體CytC氧化酶活性與成年大鼠相比明顯下降，8～10周跑臺訓(xùn)練后，CytC氧化酶活性顯著增高[5]。Berthon對14名55到73歲的老人進(jìn)行了研究，受試者每天以80%左右最大心率進(jìn)行1小時功率自行車運(yùn)動，每周4天。訓(xùn)練6周后最大攝氧量有顯著增加。肌外側(cè)肌活檢表明檸檬酸合酶和線粒體ATP合成速率明顯增加，且二者增加百分比之間顯著相關(guān)。衰老個體線粒酶活性的提高直接反映了線粒體功能的改善[6]。

長期有氧運(yùn)動訓(xùn)練，可使線粒體產(chǎn)生適應(yīng)性變化，包括線粒體體積和數(shù)目的增加，酶合成增加，活性提高，而酶活性的提高直接反應(yīng)了線粒體功能的改善，運(yùn)動訓(xùn)練提高線粒體酶活性可能與mtDNA的表達(dá)有關(guān)。對運(yùn)動員所做的研究表明，運(yùn)動訓(xùn)練可提高mtDNA編碼的mRNA（包括CytG氧化酶亞單位Ⅳ、βF1亞基、FDH）。廣州體育學(xué)院生化教研室的盧健等人通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)有氧運(yùn)動可以減少衰老小鼠mtDNA變異的發(fā)生，從而起到延緩衰老的作用。天津體育學(xué)院馬力宏等人對27名少年女子運(yùn)動員mtDNA調(diào)控區(qū)遺傳多態(tài)性進(jìn)行了分析，同時還測定了所有受試者的VO2max。研究發(fā)現(xiàn)，在27名運(yùn)動員中出現(xiàn)8種多態(tài)類型。其中4名VO2max較高的受試者攜帶的典型與優(yōu)秀耐力運(yùn)動員持有類型相同。這一結(jié)果顯示出這種特有類型可能與人體有氧運(yùn)動能力關(guān)聯(lián)。

從衰老的自由基學(xué)說出發(fā)，運(yùn)動性抗氧化能力的增強(qiáng)可能在預(yù)防衰老進(jìn)程中線粒體的氧化損傷有十分重要的作用。Sugiyama等人以加入0.2%輔酶Q（CoQ）的飼料喂養(yǎng)大鼠，38周后觀察CoQ飲食可延緩大鼠骨骼肌線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅳ酶活性隨年齡的下降。作者認(rèn)為由于CoQ具有清除自由基作用，可避免mtDNA中dG被氧化為8—OH—dG，從而減少了mtDNA的缺失，起到了保護(hù)酶活性的作用[7]。

4 展望

綜上所述，適量運(yùn)動可以提高機(jī)體有氧工作能力，減少mtDNA的突變，增進(jìn)線粒體氧化磷酸化功能，延緩衰老。但運(yùn)動延緩衰老的作用機(jī)理，如線粒體在運(yùn)動延緩衰老中的作用及其確切機(jī)制，衰老進(jìn)程中最大有氧能力退行性改變與線粒體功能變化和衰老的關(guān)系等尚不清楚。這不僅說明在mtDNA延緩衰老的研究方面還有很長的路要走，也預(yù)示著mtDNA對于延緩衰老具有更大的調(diào)控能力。

［1］李琳，邵金陵，段小紅，等.復(fù)合PCR擴(kuò)增人mtDNA HVR方法的初探[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2013，13（7）：1360-1363.

［2］時慶德，張勇.線粒體DNA：衰老研究的新突破[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2003，22（4）：383-386.

［3］Brierley E J,Johnson M A,James O F,et al.Effects of physical activity and age on mitochondrial function[J].Q.J.M.1996,89:251-258.

［4］Ji L L,Wu E,Thomas D P,et al.Effect of exercise on antioxidant and metabolic function in rat skeletal muscle[J].Gerontology.1991,37:317-325.

［5］Tate C A,Helgason Y,Hyek M F,et al.SERCA2a and mitochondrial cytochrome oxidase express are increased in hearts of exercise_trained old rats[J].Am.J.Physiol.1996,271(1 pt2):H68-74.

［6］Berthon P,Freyssenet D,Chatard J C,et al.Mitochondrial ATP production rate in 55 to 73_year_old men:effect of endurance triaining[J].Acta.Physiol.Scand.1995,154:269-274.

［7］Sen C K.Oxidants and antioxidants in exercise[J].J.Appl.Physiol.1995，79:675-686.