摘要 線粒體(mitochondrion)是真核生物細(xì)胞中的一種非常重要的細(xì)胞器,含有獨(dú)立于細(xì)胞核染色體外的遺傳物質(zhì),通過氧化磷酸化產(chǎn)生 ATP,是細(xì)胞的能量工廠,與細(xì)胞分化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、代謝穩(wěn)態(tài)等過程密切聯(lián)系。線粒體功能的紊亂與癌癥、神經(jīng)退行性疾病、糖尿病等許多疾病的發(fā)生、發(fā)展及治療息息相關(guān)。線粒體在細(xì)胞命運(yùn)中扮演的關(guān)鍵角色,使對(duì)線粒體這一特殊細(xì)胞器的探索成為生命科學(xué)研究熱點(diǎn)之一。人線粒體 DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)是一相對(duì)保守且僅 16 kb 的環(huán)狀雙鏈 DNA 分子,只含 37 個(gè)基因,但這些基因都是維持線粒體功能穩(wěn)定必不可少的部分。隨著對(duì)線粒體功能認(rèn)識(shí)的不斷深入,研究人員發(fā)現(xiàn) mtDNA 突變,會(huì)導(dǎo)致活性氧自由基過量產(chǎn)生,從而引起細(xì)胞衰老,甚至引發(fā)諸多疾病,例如遺傳性視神經(jīng)病變、線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和卒中樣發(fā)作綜合征等。但是,目前針對(duì)這些線粒體基因疾病尚無非常有效的治療手段。為了進(jìn)一步了解這一關(guān)鍵細(xì)胞器,研究人員開發(fā)了一些有效的方法來突破線粒體的復(fù)雜屏障。本文將重點(diǎn)介紹并討論近幾年靶向 mtDNA 的研究進(jìn)展,主要從藥物修飾、材料遞送、基因編輯等方面進(jìn)行了總結(jié),希望能為推動(dòng)線粒體的研究提供一些新的思路。
1 線粒體及線粒體 DNA
線粒體是一種廣泛存在于大多數(shù)真核細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器,通過氧化磷酸化產(chǎn)生 ATP,是細(xì)胞中的能量工廠。線粒體參與細(xì)胞分化、細(xì)胞信號(hào)傳遞和細(xì)胞凋亡等過程,擁有調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞周期的能力,在鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)、三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸代謝、氧化還原信號(hào)傳導(dǎo)等許多細(xì)胞活動(dòng)中發(fā)揮重要作用[1-2]。這種獨(dú)特的細(xì)胞器由兩層膜組成:多孔的外膜及高度內(nèi)皺的內(nèi)膜。外膜較光滑,發(fā)揮細(xì)胞器界膜的作用;內(nèi)膜由高密度飽和磷脂組成,相比細(xì)胞膜及線粒體外膜的蛋白質(zhì)脂肪比(1 ∶1),線粒體內(nèi)膜具有更高的比例(3 ∶1)[3]。并且,線粒體具有的高膜電位(Δψm 約為-180 mV),是線粒體功能狀態(tài)的重要參數(shù)之一。線粒體膜電位降低是細(xì)胞凋亡的早期預(yù)警。雙層膜結(jié)構(gòu)及膜電位等這些線粒體生理特性,使物質(zhì)穿透這兩層膜需要不同的轉(zhuǎn)運(yùn)載體。有效排除大部分離子和分子的滲透,正是這種高度排他性保證了氧化還原所需質(zhì)子梯度的穩(wěn)態(tài)環(huán)境[4]。
線粒體是一種半自主細(xì)胞器,擁有獨(dú)立于核基因存在的遺傳物質(zhì)線粒體 DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)。一般每個(gè)線粒體中含有多組 mtDNA,不同物種的線粒體基因組大小不一。人 mtDNA 為長(zhǎng)約 16 kb 的環(huán)狀雙鏈 DNA 分子,編碼了 22 種 tRNA、2 種 rRNA 和 13 種線粒體氧化磷酸化相關(guān)的蛋白質(zhì)(多肽),有重鏈(H)和輕鏈(L)之分,其中重鏈富含嘌呤, 輕鏈則以嘧啶為主[5]。與核基因組相比,mtDNA 分子量小,游離在高氧化還原的線粒體基質(zhì)環(huán)境中,易因活性氧( reactive oxygen species,ROS)而受到損傷,又缺乏組蛋白的保護(hù),因而,mtDNA 的突變率比核 DNA 高 10 ~ 20 倍[6,7]。mtDNA 具有高效復(fù)制性,主要通過堿基切除途徑修復(fù),且自身修復(fù)系統(tǒng)相對(duì)單一低效,mtDNA 的準(zhǔn)確復(fù)制和修復(fù)對(duì)細(xì)胞存活和繁殖至關(guān)重要[8,9]。
線粒體功能紊亂與神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、消化系統(tǒng)疾病、肥胖和癌癥等都有著密不可分的聯(lián)系[10, 11]。相較于正常細(xì)胞,許多癌細(xì)胞的線粒體膜電位更高,活性氧濃度異常增加,這些差異為選擇性靶向癌細(xì)胞提供了基礎(chǔ)。同時(shí),許多導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的信號(hào)通路都聚集在線粒體中,通過改變線粒體的功能,可達(dá)到破壞這一能量工廠的效果。mtDNA 具有的裸露開放性和低效修復(fù)性,使其更易與抗癌藥物結(jié)合,導(dǎo)致 mtDNA 損傷,影響線粒體的功能,從而改變細(xì)胞的生存狀態(tài)。因此,將現(xiàn)有藥物進(jìn)行線粒體靶向性修飾,以期通過損傷線體這一重要細(xì)胞器來誘發(fā)細(xì)胞死亡成為了近年來炙手可熱的研究方向[12]。
本文將著重討論幾種針對(duì)線粒體 DNA 的化學(xué)修飾藥物方法、藥物遞送材料以及基因編輯等手段的研究現(xiàn)狀。
2 線粒體靶向策略
線粒體的雙層膜結(jié)構(gòu)使許多分子難以進(jìn)入該細(xì)胞器。為了突破這道屏障,蛋白質(zhì)與核基因編碼的線粒體靶向多肽序列 ( mitochondrial targeting sequence, MTS)連接,通過 TIM / TOM 復(fù)合物等膜通道定向轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入線粒體[4]。這段可切割的線粒體靶向信號(hào)多肽一般位于蛋白質(zhì) N 段,由 20 ~ 40 個(gè)帶正電荷的疏水氨基酸組成。目前,利用這一轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器,可將許多蛋白質(zhì)遞送到線粒體并進(jìn)行研究,例如限制性核酸內(nèi)切酶、超氧化物歧化酶和凋亡誘導(dǎo)蛋白質(zhì)等。但該方法仍難以克服例如因MTS 的疏水性導(dǎo)致的蛋白質(zhì)異常折疊問題、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制缺陷等問題。
這些小分子靶向定位基團(tuán)的發(fā)現(xiàn),極大地推動(dòng)了線粒體靶向藥物的研究。然而,目前報(bào)道的大部分線粒體定位基團(tuán)聚焦在線粒體內(nèi)膜中。開發(fā)新的線粒體定位基團(tuán),使其靶向線粒體其他部位有助于對(duì)線粒體更進(jìn)一步的了解。
3 藥物修飾
破壞癌細(xì)胞核內(nèi)基因是化療藥物的作用機(jī)制之一。然而,癌細(xì)胞分裂增殖速度比正常細(xì)胞快,且極易產(chǎn)生藥物抗性,導(dǎo)致藥物失效。線粒體,類似于細(xì)胞核,同樣擁有自身的遺傳物質(zhì)。因此,研究人員逐漸將目標(biāo)轉(zhuǎn)向帶有 DNA 的線粒體,通過靶向修飾將藥物富集于線粒體,破壞 mtDNA,從而導(dǎo)致癌細(xì)胞的快速凋亡。將藥物與線粒體定位基團(tuán)綴合形成復(fù)合物,將抗癌化合物遞送到線粒體基質(zhì)。在線粒體中,藥物濃度迅速達(dá) 100 ~ 500 倍,從而有效作用于mtDNA,是現(xiàn)有最普遍并實(shí)用的方法。
4 納米材料遞送
目前,除了 PLGA,已經(jīng)開發(fā)了許多應(yīng)用于靶向線粒體藥物遞送的納米載體,包括石墨烯和納米膠束等。主要原理是藥物通過吸附或共價(jià)連接到載體上,載體表面進(jìn)行線粒體靶向修飾,實(shí)現(xiàn)將藥物直接靶向至線粒體,并發(fā)揮更好的療效。然而,很多納米遞送材料的生物安全性、生物相容性和生物降解性仍有待優(yōu)化[27-29]。
新加坡國(guó)立大學(xué) Yao SQ 課題組設(shè)計(jì)合成了一種可降解的硅納米粒子。納米粒子由含有二硫鍵單體構(gòu)建,可在胞內(nèi)谷胱甘肽的作用下發(fā)生斷裂降解,從而釋放粒子內(nèi)包裹的生物大分子。該方法有效遞送抗體、蛋白質(zhì)、siRNA 等生物大分子,為線粒體藥物的開發(fā)提供新策略[32, 33]。
5 基因編輯
目前,基因編輯技術(shù)已從最初細(xì)胞自然發(fā)生的同源重組,發(fā)展到幾乎可在任意位點(diǎn)進(jìn)行靶向切割,為治療 mtDNA 突變引起的線粒體疾病帶來了曙光。2013 年,美國(guó)邁阿密大學(xué)的 Carlos T. Moraes 及其同仁,將轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶 TALEN(mitochondrial-targeted TALEN, MitoTALEN) 編輯工具引入到線粒體定位靶向序列,使其在翻譯后定位轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體,對(duì) m.5024C>T 突變位點(diǎn)靶向結(jié)合并切割,使得突變的 mtDNA 斷裂降解[36]。以這種方式處理后,注射到攜帶突變小鼠中。6 個(gè)月后,小鼠肌肉組織 mtDNA 突變率下降 50%,大部分突變基因被清除。同時(shí),英國(guó)劍橋大學(xué) M. Minczuk 課題組,同樣利用腺相關(guān)病毒(AAV9. 45) 將含有線粒體定位的鋅 指 核 酸 酶 ( mitochondrially targeted zinc-fingernuclease, mtZFN,另一種基因編輯方式)轉(zhuǎn)運(yùn)入線粒體,并成功將心,血管組織中的 mtDNA 突變率降低了約 40%[37]。最近,CRISPR 基因編輯技術(shù)對(duì)細(xì)胞核 DNA 編輯方面取得了快速進(jìn)展。該技術(shù)的易設(shè)計(jì)、便操作、高效率等優(yōu)點(diǎn)使它成功運(yùn)用在許多生物學(xué)領(lǐng)域。然而,線粒體的雙層膜結(jié)構(gòu)使得高負(fù)電性的向?qū)?RNA( gRNA)難以進(jìn)入線粒體基質(zhì),同時(shí)線粒體內(nèi)部 DNA 修復(fù)機(jī)制并不成熟,阻礙了 CRISPR基因編輯技術(shù)在 mtDNA 中的應(yīng)用[38-40]。近期,中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院裴得勝課題組,利用 CRISPR/ Cas9 系統(tǒng)將雙鏈 DNA 插入了斑馬魚線粒體基因組,實(shí)現(xiàn)了插入后的線粒體基因的 F0 到F1 的傳遞,這也為針對(duì) mtDNA 的基因編輯帶來了曙光[41]。近期,Broad 研究所 David Liu 團(tuán)隊(duì)和華盛頓大學(xué) Mougous 團(tuán)隊(duì),開發(fā)利用了伯克霍爾德氏菌(Burkholderia cenocepacia)產(chǎn)生的酶,衍生了不依賴于 CRISPR 系統(tǒng)的線粒體堿基編輯器,顯著減少了攜帶 mtDNA 突變的比例[42]。雖然基因編輯技術(shù)距離臨床應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路,但為開發(fā)針對(duì) mtDNA 疾病的基因療法提供了非常有潛力的工具。
此外,RNA 干擾技術(shù),例如小型干擾 RNA、小發(fā)夾 shRNA 等,通過阻礙特定基因的轉(zhuǎn)錄或翻譯抑制基因的表達(dá),目前已有 10 個(gè) RNA 藥物批準(zhǔn)上市,且有超過 50 個(gè) RNA 藥物處于臨床試驗(yàn)中,這種技術(shù)已然成為研究基因功能的強(qiáng)大工具[43,44]。2020 年,加州大學(xué)圣地亞哥分校付向東及中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所張曉榮課題組,共同報(bào)道了利用體外 RNA導(dǎo)入,Clickin 技術(shù)將 siRNA 導(dǎo)入線粒體中,系統(tǒng)地研究了該技術(shù)對(duì) 13 個(gè) mtRNA 編碼蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄影響,初 步 證 實(shí) 了 線 粒 體 內(nèi) 部 RNAi 干 擾 的 可 能性[45]。同時(shí),也有研究表明,線粒體中存在一些小RNA 和 RNA 的修飾,這也為疾病的療法提供了新的手段和靶點(diǎn)[46, 47]。
6 問題與展望
線粒體是細(xì)胞內(nèi)獨(dú)特的細(xì)胞器,參與細(xì)胞能量代謝、凋亡等許多重要的生命活動(dòng)。線粒體由于自身含有遺傳物質(zhì) mtDNA,將核 DNA 藥物遞送至線粒體,并通過結(jié)合 mtDNA,這一過程具有強(qiáng)大應(yīng)用潛力。目前,線粒體靶向藥物研究領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展,但由于線粒體 mtDNA 的特性,對(duì)線粒體疾病的基因治療要比核基因更復(fù)雜,更具有挑戰(zhàn)性。相信隨著交叉研究的不斷深入,對(duì)線粒體的功能了解必定會(huì)拓寬生命健康領(lǐng)域的發(fā)展,為病癥開發(fā)提供更有效、更安全的治療方法[48-50]。
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