在一項新的研究中，美國俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)（OHSU）胚胎細(xì)胞與基因治療中心主任Shoukhrat Mitalipov博士及其研究團隊證實一個存在已久的假設(shè)：當(dāng)變老時，基因突變積累在人們的線粒體（即細(xì)胞能量工廠）中。

研究人員發(fā)現(xiàn)作為一類對病人的皮膚細(xì)胞或血細(xì)胞進行重編程而產(chǎn)生的干細(xì)胞，誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）含有存在缺陷的線粒體DNA。相關(guān)研究結(jié)果于2016年4月14日在線發(fā)表在Cell Stem Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Age-Related Accumulation of Somatic Mitochondrial DNA Mutations in Adult-Derived Human iPSCs”。論文通信作者為Shoukhrat Mitalipov和Taosheng Huang。

Mitalipov說，“人們長期以來認(rèn)為我們的線粒體DNA中的致病性突變是衰老和年齡相關(guān)性疾病的一種驅(qū)動力，不過一直都缺乏明確的證據(jù)。如今，利用這項研究中的證據(jù)，我們知道我們必須篩選iPS細(xì)胞中發(fā)生的突變，或者在年齡更為年輕時收集人體細(xì)胞制造iPS細(xì)胞，從而確保它們的線粒體基因是健康的。這種對細(xì)胞在自然衰老過程中如何遭受損傷的基本了解可能有助消除發(fā)生基因突變的線粒體在退化性疾病中發(fā)揮的作用。”

線粒體基因位于細(xì)胞核外面，已知容易遭受損傷。當(dāng)我們變老時單個細(xì)胞內(nèi)隨機產(chǎn)生的線粒體DNA基因突變能夠限制細(xì)胞恰當(dāng)?shù)刂圃炷芰?、產(chǎn)生信號和發(fā)揮功能的能力。

基于干細(xì)胞的潛在療法有巨大的希望用于治療人類疾病。然而，線粒體缺陷可能能夠破壞iPS細(xì)胞修復(fù)受損組織或器官的能力。為了避免損害iPS細(xì)胞的治療價值，Mitalipov和同事們建議對這些細(xì)胞進行線粒體DNA突變篩選。

美國辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)中心線粒體疾病項目主任和醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)家Taosheng Huang博士說，“如果想要在人體中使用iPS細(xì)胞，那么必須核查線粒體基因組中的突變。每個細(xì)胞[發(fā)生的突變]可以是不同的。兩個相鄰的細(xì)胞可能擁有不同的突變或者不同的突變比例。”

論文共同作者、美國梅約診所再生醫(yī)學(xué)中心主任Andre Terzic博士說，“這個跨學(xué)科的合作研究鑒定出‘線粒體基因組完整性’是評估病人來源性再生產(chǎn)品臨床應(yīng)用能力的一個至關(guān)重要的指標(biāo)。”

每個人擁有數(shù)萬億個細(xì)胞，而每個細(xì)胞具有上千個線粒體。當(dāng)細(xì)胞老化時，每個線粒體基因組可能存在上千個不同的突變。因為每個細(xì)胞具有它自己*的突變，所以當(dāng)研究人員研究含有上百萬個細(xì)胞的一小塊皮膚或一滴血液時，大多數(shù)線粒體突變是隱藏的。僅當(dāng)每個細(xì)胞擁有相同突變時，這種突變才能夠檢測到。

然而，在iPS細(xì)胞中，這些突變能夠檢測到。在制造iPS細(xì)胞系的過程中，研究人員對每個病人皮膚細(xì)胞或血細(xì)胞進行克隆擴增。因此，iPS細(xì)胞系中的每個細(xì)胞將含有與初始的體細(xì)胞（即皮膚細(xì)胞或血細(xì)胞）一樣的線粒體DNA突變。

在這項研究中，研究人員并不只是研究一種iPS細(xì)胞系。他們獲得來自每種病人組織樣品的10個iPS細(xì)胞克隆株，并對它們進行測序，以便更好地理解線粒體的DNA突變率。

研究人員獲取健康的和患有退行性疾病的年齡在24歲到72歲的人的皮膚和血液樣品。當(dāng)他們檢測這些皮膚細(xì)胞或血細(xì)胞中的線粒體DNA突變時，突變水平似乎較低。

研究人員隨后分析了每個病人20個iPS細(xì)胞系---10個由病人的血細(xì)胞重編程而產(chǎn)生，另外10個由病人的皮膚細(xì)胞重編程而產(chǎn)生。當(dāng)對這些iPS細(xì)胞系進行測序時，他們發(fā)現(xiàn)較高數(shù)量的線粒體DNA突變，特別是源自年齡大于60歲的病人的iPS細(xì)胞系。他們分析了130個iPS細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)它們當(dāng)中的80%存在線粒體DNA突變。他們也發(fā)現(xiàn)每個iPS細(xì)胞系中較高比例的線粒體含有突變。iPS細(xì)胞系中線粒體DNA突變載量越高，這個細(xì)胞的功能破壞得更重。

研究人員建議針對每個病人產(chǎn)生多個iPS細(xì)胞系，然而選擇受到zui少破壞的iPS細(xì)胞系。

2013年5月，Mitalipov在世界上證實利用體細(xì)胞核移植（SCNT）技術(shù)將一個人的皮膚細(xì)胞成功地制造為人胚胎干細(xì)胞。2007年，他利用SCNT技術(shù)制造出非人靈長類動物的胚胎干細(xì)胞。OHSU科學(xué)家也已證實SCNT允許在保留病人細(xì)胞核的情形下，利用健康供者卵細(xì)胞的線粒體替換發(fā)生突變的線粒體基因。