科学家发现小肠衰老两大标志物，有望打造新型候选药物

“我们发现了小肠衰老的两个标志物：线粒体 DNA 低频点突变和线粒体 LONP1 蛋白，借此开发了多个逆转小肠衰老方案，这将能够作为靶点或候选药物，最终产生巨大的经济价值。”广州生物医药与健康研究院刘兴国研究员表示。

图 | 刘兴国（来源：刘兴国）

在近期一项研究中，他和团队利用早衰小鼠模型、干细胞标记技术和类器官技术，论证了线粒体 DNA 突变累积会导致肠道衰老过程中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）消耗。

并通过激活线粒体未折叠蛋白反应（mitochondrial unfolded protein response，UPRmt），耗竭了肠干细胞从而引发肠衰老，借此发现补充 NAD+ 前体烟酰胺单核苷酸（NMN，β-Nicotinamide MononucleotideNMN）可以延缓小肠衰老。

总的来说，本次研究提供了一种将 NAD+ 缺失与衰老联系起来的机制，并支持其作为监测不同组织衰老的生物标志物的实用性。

同时，这一工作首次回答了衰老累积的线粒体 DNA 突变与哺乳动物肠衰老之间因果关系的基本科学问题。

基于此，课题组开发了以此通路为靶点的多个逆转小肠衰老方案，进而发现了从线粒体 DNA 突变、到线粒体反向信号、到干细胞耗竭、到细胞间信号、再到器官衰老的多层次时空机制，为延缓肠衰老提供了全新的思路、靶点和策略。

（来源：Nature Communications）

日前，相关论文以《NAD+ 依赖性 UPRmt 激活是线粒体 DNA 突变引起的肠道衰老的基础》（NAD+ dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations）为题发在 Nature Communications[1]。

Yang Liang 是第一作者，刘兴国担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

探明肠道衰老机制，更好应对人口老龄化

据介绍，肠道是人体主要的消化器官和最大的免疫排毒器官，一旦肠道出现功能紊乱，就会通过代谢、神经、内分泌和免疫等多方面影响身心健康。

小肠的基本单位由绒毛和隐窝结构两部分组成，自我更新速度较快。而肠干细胞可以分化为不同的上皮细胞，从而形成有序的肠道结构，以维持肠道稳态和吸收、分泌、屏障和抗微生物功能等基本功能。

肠道稳态失衡被认为与衰老密切相关，然而肠衰老的标志物及应答信号通路还不清楚。

氧化损伤理论，是衰老机制的主要理论之一。详细来说：作为细胞代谢、耗氧、活性氧（ROS，reactive oxygen species）产生和凋亡的调控中心，线粒体在细胞衰老中发挥关键作用。

线粒体遗传物质线粒体 DNA 的突变积累，是导致衰老、以及产生衰老相关疾病的重要原因。

对于线粒体刘兴国还曾作诗一首《线粒体断肠》：“红影瘦尽晚春光，华发囊生却斜阳。凭问三遗泪何似，一线一粒断人肠。”

（来源：刘兴国）

在机体衰老过程中，小肠等器官率先受累，并且积累线粒体 DNA 突变。然而，衰老累积的线粒体 DNA 突变与小肠衰老是否存在某些相关性，目前尚不清楚。

目前，世界各国均面临着严重的人口老龄化，数据显示到 2050 年中国老龄化人口将占 1/3。

到 2025 年，治疗老年疾病和延长健康寿命的市场预计将达到 6000 亿美元以上。

尽管抗衰老药物的市场需求与规模巨大，但国际上尚无抗衰老的药物上市。总之，小肠衰老研究是一个充满挑战和机遇的领域。

而通过深入了解小肠衰老的机制和影响因素，可以为预防和治疗老年疾病提供新的思路和方法。

（来源：Nature Communications）

11 年前从美国引进一只小鼠模型

如前所述，氧化损伤理论——是衰老机制的主要理论之一。而线粒体作为活性氧的产生中心，在细胞衰老中发挥关键作用。

为了研究线粒体是否及如何参与调控各器官和组织的衰老，刘兴国团队于 2013 年底从美国杰克逊实验室引进了世界上唯一的一个公认的线粒体早衰小鼠模型-POLGAD257A 突变小鼠。

后来，他们先是通过繁殖建立了一个 POLG 小鼠种群，并对 POLG 突变纯合小鼠进行持续观察。

结果发现当小鼠达到 9 个月龄之后，开始出现明显早衰表型，包括毛发变白和脱落、以及驼背等。

为了研究线粒体功能障碍到底是不是线粒体衰老的原因，他们开始重点关注在达到 9 月龄之前 POLG 早衰小鼠的各种器官表型。

通过此，课题组发现小鼠小肠出现了早衰表型，主要表现为小肠绒毛变长，小肠隐窝数目减少，并且雌性小鼠的生育能力受到影响。

事实上在个体衰老过程中，人体小肠和女性生殖率先“受累”。因此，他们定下这样一个课题：研究线粒体功能障碍，对于小肠和雌性生殖衰老的影响。

由于生育能力表型特别明显，加上他们通常在 2 月龄检测雌性小鼠的生育能力，因此对雌性小鼠的生育能力的检测周期较短。

2020 年，该团队完成了关于生育相关的论文，并发表 Aging Cell 上。由于小肠在 8 月龄才出现明显衰老表型，因此这一课题需要更长的时间。

于是，在生殖课题结束之后，他们将重心转移到小肠衰老这一课题。研究中，他们使用小肠类器官技术、小肠干细胞内源示踪技术来研究线粒体功能障碍如何调控小肠衰老。

通过此，课题组发现了 NAD+ 在小肠衰老中的作用，并解释了 NAD+ 通过线粒体反向信号 UPRmt 来调控小肠的 Wnt 信号对于小肠衰老的引发。

在论文投稿中，审稿人提了很多有价值的意见，包括自然衰老过程中小肠是否发生类似的衰老表型，以及线粒体 DNA 突变是否积累等。

（来源：Nature Communications）

按照审稿人的建议他们补充了一些实验，结果发现衰老的小肠跟 POLG 小鼠一样，主要积累低频线粒体 DNA 点突变，这说明 POLG 小鼠是一个很好的研究小肠生理衰老的模型。

“事实上，审稿人提出的诸多建议和问题，虽然当时看起来有不少难度，但是这些问题都非常有价值。”刘兴国表示。

另据悉，大量研究表明当小肠衰老之后，小肠隐窝大小、绒毛长度、潘式细胞数和杯状细胞数均增加。但是，小肠干细胞的数量和再生潜力降低。

同样地，他们在早衰小鼠中也发现了这一现象。然而，衰老过程中小肠干细胞数量减少，而小肠绒毛长度确增加，这到底是为什么？关于这一问题还需要进一步的回答。

此外，与核基因突变不同的是，线粒体基因突变往往是异质的。正常情况下，人体细胞内的线粒体 DNA 分子，绝大部分是一致的，即线粒体 DNA 具有同质性。

线粒体 DNA 处在高活性氧环境中，缺乏保护和修复机制，很容易发生突变，并随着时间不断积累。

在人体内，野生型线粒体 DNA 和突变型线粒体 DNA 是共存的，突变型线粒体 DNA 的比例因组织和年龄而不同。线粒体 DNA 突变的比例决定了线粒体疾病的临床症状。

在临床上，线粒体 DNA 的突变具有阈值效应，只有当突变型线粒体 DNA 达到一个很高的比例时，才会影响呼吸功能并导致疾病发生。

该课题组发现 POLG 早衰小鼠的小肠中积累了大量的线粒体 DNA 低频点突变，但是这些低频率线粒体 DNA 点突变是否、以及如何在小肠衰老发挥作用？针对这一问题还需要进一步的探索。

此外，刘兴国等人还揭示了自然衰老动物的肠线粒体 DNA 突变随年龄变化的规律，并鉴定了类型为线粒体 DNA 低频点突变。

为了回答线粒体 DNA 突变对肠衰老的因果作用，课题组使用了线粒体 DNA 突变小鼠，该小鼠是一种已被广泛用于研究线粒体 DNA 突变引发衰老的实验模型。

同时，他们使用 POLG 突变小鼠和野生型鼠，产生了四类不同线粒体 DNA 突变率的小鼠。

其中，POLG 突变纯合子小鼠的线粒体 DNA 突变率最高，并且和自然衰老小鼠一样，主要积累低频点突变。

结合肠类器官技术和肠干细胞内源标记技术，他们发现相同月龄之下，仅 POLG 突变纯合子小鼠更早地出现了肠衰老表型，展示出肠类器官分化程度低和肠干细胞数量锐减的现象。

这说明高负担的线粒体 DNA 突变能促进肠衰老的发生，故能为肠衰老提供线粒体 DNA 低频点突变这一新的生物标记。

不过，线粒体 DNA 突变如何通过 UPRmt 信号调控核基因的表达，还需要进一步的研究。而这些都将是他们未来的努力方向。

参考资料：

1.Yang, L., Ruan, Z., Lin, X. et al. NAD+ dependent UPRmt activation underlies intestinal aging caused by mitochondrial DNA mutations. Nat Commun 15, 546 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44808-z

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