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果蝇中的基因发现可能为抵抗线粒体疾病提供线索

科学家已经在果蝇中鉴定出一种蛋白质,该蛋白质可用于逆转线粒体基因中致病突变的影响。该发现可能提供有关如何抵抗目前尚未治愈的人类线粒体疾病的线索。

线粒体是细胞的动力源,是杆状结构,可产生细胞执行其活动所需的几乎所有能量。线粒体携带自己的DNA-线粒体DNA-编码13种产生能量所必需的蛋白质。这不同于细胞核中的DNA-“核DNA”-编码整个生物的蓝图。当卵子受精后,核DNA从每个亲本中获得一半,而线粒体DNA(mtDNA)仅通过卵子从母亲那里遗传下来。

典型的细胞具有两个核DNA拷贝,但通常包含数百甚至数千个mtDNA。在mtDNA继续复制的发育和衰老过程中,某些副本可能发生突变。这意味着个体将携带突变和健康的线粒体基因组的混合物,它们不断相互竞争以改变其相对丰度。

这些突变中的某些可能有害。通常,这些有害突变在首次出现时就以低丰度存在,并且在许多健康个体中其比例仍然很低。但是,在某些人中,它们的数量会随着时间的流逝而增加。

当有害突变的比例超过细胞中所有mtDNA拷贝的60-80%时,就没有足够的能量来支持正常的细胞活动,并且会出现疾病症状。如果母亲卵中也存在突变的线粒体基因组,则这些疾病症状可以进一步传递给下一代。

迄今为止,据报道,超过350种mtDNA突变导致一系列线粒体疾病,影响英国每5,000个人中的至少1个人。其中一些条件是致命的,目前尚无治愈方法。

英国剑桥大学威康信托基金/英国癌症研究中心古登研究所的研究人员在果蝇中设计了一个模型,以研究突变的mtDNA的丰度如何随时间变化。健康和突变的线粒体基因组之间的竞争是发育的基本特征,并可能受到核DNA的影响,但鲜为人知。

科学家创造了“三亲蝇”,它们从第二位母亲那里继承了部分mtDNA。这是在显微镜下使用微小的工具完成的,将第二个母亲的线粒体转移到受精的产卵中,并携带来自其原始父母的遗传信息。这些苍蝇带有两个竞争的线粒体基因组,一个健康且一个突变,通常是平衡的,并共同传播给后代。但是,核DNA的变化可以使一种线粒体基因组的平衡趋于有利,而另一种则以另一种为代价。

通过在“遗传筛选”中使用这些三亲蝇,科学家可以测量每个单个核基因对健康和患病线粒体基因组之间竞争的影响。

这项研究发现了多个核基因,这些核基因可能会限制有害的线粒体基因组在发育过程中或传给下一代。这些基因之一编码一种称为mtDNA聚合酶的蛋白质。减少mtDNA聚合酶的数量,仅一代人就可以将健康mtDNA的百分比从20%增加到75%。这种增加消除了疾病症状,新蝇更加健康。

没有等效的小鼠模型或人类细胞系,科学家可以在其中进行这样的全基因组遗传筛选,以研究核基因对线粒体疾病表现的影响。该模型使用三亲苍蝇进行设计,旨在帮助理解为什么突变mtDNA可能在不同人群之间以及体内不同组织之间造成不同严重程度的问题。新的结果表明,减少核基因的活性几乎可以消除有害的mtDNA突变,并有可能用于逆转线粒体疾病的症状。这可以为治疗与mtDNA相关疾病的药物提供目标。

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