粒線體與老化息息相關，近年來，透過優化粒線體功能「延年益壽」的研究十分熱門。然而，浙江大學聯合中國科學院分子植物科學卓越創新中心的科研團隊卻另闢蹊徑，他們在昆蟲核基因組中發現了與線粒體協同演化的基因，其中一個，不僅能影響線粒體本身形態的生長，還能夠顯著延長昆蟲和線蟲的壽命。相關成果近日發表於《自然—衰老》。

「透過全球壽命基因資料庫比對，我們發現該長壽基因是國際上第8個具有廣泛延長動物壽命的新基因。」論文通訊作者、浙江大學農業與生物技術學院研究員沈星星說。

「遠端」操控粒線體的核基因

粒線體主要負責細胞的能量供應，是我們細胞內的重要成員。隨著年齡的增長，粒線體功能往往會逐漸衰退。鑑於粒線體與老化、神經退化性疾病、代謝性疾病、心血管疾病以及腫瘤等多種疾病的發生緊密相關，如何維持粒線體功能的穩態至關重要。

「粒線體是一種很特別的細胞器，根據內共生理論，粒線體源自一種古老的α-變形菌，這種細菌被一個原始的真核細胞吞噬，但並未被消化，而是與宿主細胞形成了共生關係」論文第一作者、浙江大學博士生陶妹說，「粒線體內部至今仍保存著屬於自己的DNA，但同時，粒線體也受到細胞核內DNA的調控。交流和協作的穩定關係，就叫協同演化。

「我們可以把這種協同演化模式理解為，有兩輛汽車以相同的速度並行行駛在道路上，彼此的速度變化緊密同步，一方的加速或減速會立即反映在另一方上。」沈星星解釋，“但以往科學家的目光大多集中在線粒體本身，我們則是轉換視角，將關注點放在與線粒體協同演化的細胞核上。”

於是，研究團隊綜合了演化生物學、計算生物學、功能基因體學等多個跨學科，系統性地挖掘「遠端」操控粒線體演化的核基因。

結果發現，有75個核基因與粒線體基因展現出顯著的協同演化模式，它們表現出了各種不同的功能，包括端粒維持、核醣體生物發生、粒線體功能和DNA修復，而這些功能都與生命老化和疾病顯著相關。

研究團隊也挑選了其中四個核基因－CG13220, CG11837, Nop60B和CG11788，在果蠅體內進行了基因活性降低的實驗。結果顯示，與對照組相比，這四個基因的活性降低都導致了粒線體形態的異常。

「延年益壽」全新基因

沈星星打了一個比方，如果把生物體看成一台計算機，粒線體相當於電池，而細胞核就是CPU。 “一台計算機的待機時間不僅與電池容量大小有關，也與CPU處理策略有關。”

研究人員提出了一個關鍵問題：改變這些核基因的活力是否會影響動物的壽命？

讓研究團隊驚訝的是，他們在四個核基因中發現了一個特別的存在——CG11837，不僅能夠影響粒線體形態，它的活力也與動物的壽命長短有顯著的正相關性。

為了尋找可靠證據，研究人員首先在六種不同的動物中進行了CG11837基因敲降實驗，包含褐飛蝨、果蠅、斯氏按蚊和秀麗隱桿線蟲等。結果顯示，在所有研究的動物中，降低CG11837基因的活力就會顯著縮短它們的壽命，幅度在25%至59%之間。

敲降基因會縮短壽命，反之，活化基因是否可以延長壽命？為此，研究人員又在果蠅和線蟲中進行了該基因的過度表現實驗。結果顯示，這兩種動物的壽命均顯著延長，幅度達12%至35%。

這項發現促使研究人員思考，該基因是否也能延長人類的壽命？於是，他們對人類離體細胞進行了實驗，發現活化CG11837基因能夠提升抗老化能力30%。 「這一系列研究證實了CG11837基因在動物中具有廣泛的長壽效應。」沈星星興奮表示。

對於這項研究，《自然—衰老》三位匿名評審專家指出：該研究方法獨特且新穎，從線粒體基因組—核基因組之間的共進化角度出發，打破了傳統思維上的局限，挖掘到功能非常保守的新長壽基因，對老化研究領域有非常重要的科學價值與實務意義。

而在談到該研究成果的應用前景時，除了可以研發基於CG11837基因的藥物和治療方法，來延長人類健康壽命，主要從事昆蟲分子生物學研究的沈星星還提到，在農業領域，該基因可以成為控制害蟲的新靶點，進而減少對化學農藥的依賴，實現環境友善的綠色防治；在公共衛生領域，可以透過幹擾該基因表現來縮短蚊蟲等傳播疾病媒介的壽命，從而降低瘧疾、登革熱等傳染病的傳播風險，為蚊媒疾病防治和公共衛生安全提供新的解決方案。

相關論文資訊：https://doi.org/10.1038/s43587-024-00641-z

敲除CG11837基因後，黑腹果蠅脂肪體中粒線體的形態變得異常，呈現碎片化和聚集成簇的特徵。圖中藍色為細胞核，綠色為多個粒線體，粒線體包圍形成的黑色孔為脂肪滴。沈星星課題組供圖