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着眼点和观察方法基本上已经决定了你看到的东西。

如果你想保持神智清楚，就不要去读线粒体疾病的教科书。

寿命长短和细胞核突变的累积完全没有关系，因此这不可能是老化的根本原因。

第十六节 线粒体老化理论

在生物学领域中首开自由基研究的先驱哈曼，在一九七二年率先提出了线粒体老化理论。哈曼的中心思想很单纯：线粒体是体内含氧自由基的主要来源。这种自由基具有破坏性，会攻击细胞内的各种组成要件，包括DNA、蛋白质、脂质膜，以及糖类。这些损伤大多都可以靠着细胞元件的正常更替获得修补或替换。但若是容易受伤的热点，尤其是线粒体本身，光靠饮食摄取的抗氧化物是很难保护它们的。于是哈曼表示，老化的速率以及退化性疾病发病的时间，应该是由自由基自线粒体渗漏的速率，以及细胞固有的保护及修复能力共同决定的。

哈曼的论点奠基在哺乳类代谢率与寿命之间的关联性上。他明确地将线粒体称为《生物时钟》。他说，本质上代谢率愈快，耗氧量就愈大，而自由基的生成量因而也会愈多。我们会发现这条关系式通常是对的，但不是绝对。这项但书看起来或许微不足道，但却害得整个领域迷惑了一个世代。哈曼提出了一个完全合理的假设，但现在已被证明是错误的。不幸的是，在一般意义上，他的假设已和这个理论难分难解了。推翻这个假设并不会驳倒哈曼的理论，但确实会推翻他最重要也最广为人知的一项预测：抗氧化物可以延长寿命。

哈曼这项有理但却造成混淆的假设是，线粒体呼吸链的自由基渗漏比率是固定的。他推测，流经呼吸链的电子以及所需的氧气，是细胞呼吸作用的两大要件，而基本上，渗漏是这个机制中一项不受控制，无法避免的副作用。据理论所述，有一部分的电子一定会漏出来，和氧直接作用，形成具破坏性的自由基。如果自由基渗漏的比率是固定的（就假设是总流通量的百分之一好了），那么总渗漏量就会取决于耗氧量。代谢率愈高，电子和氧气的流通愈快，而自由基的渗漏也会愈快，尽管实际渗漏的自由基比率都没有变过。因此代谢率快的动物产生自由基的速度也快，而且寿命比较短；而代谢率慢的动物自由基产生得慢，而且可以活得很久。

在第四章中，我们发现一个物种的代谢率和其体重的三分之二成正比，体重愈重，个别细胞的代谢率就愈慢。这项关系大致上和基因无关，而是由生物学的幂次定律所决定的。现在，如果自由基的渗漏完全取决于代谢率，那么可以推测，相对于物种的代谢速率延长其寿命的唯一方法，就是增强抗氧化物（或是抗压力）的保护力。因此，原始的线粒体老化理论隐含了一项暗示性的预测，即寿命较长的生物一定天生就有比较强的抗氧化保护力。因此，长命的鸟类体内积蓄的抗氧化物一定比较多。所以如果我们想要活得更久，就得为自身寻求更强的抗氧化保护力。哈曼推测，目前（这里指的是一九七二年）我们之所以还无法靠着抗氧化物疗法延长寿命，只是因为要将抗氧化物直接送达线粒体很困难。尽管此后又经历了三十多年的努力及失败，但今天还是有很多人认同这项主张。

依我看来，这些观念很顽强但却是错误的。它们紧紧黏着线粒体老化理论，一如附骨之疽。尤其，价值数十亿美元的健康食品产业，就奠基在抗氧化物或许能让我们延长寿命的概念上，但缺乏实质的证据来其主张；而不知为何，这个产业却不同于圣经所述的盖在沙土上的房子，至今仍然屹立不摇。超过三十年来，医学研究人员和老年医学家（包括我自己）不断将抗氧化物投入各种衰退的生物系统里，然后发现这就是不管用。它们或许可以纠正饮食中的营养缺乏，或许也可以预防某些疾病，但是完全不会影响生物的最长寿命。

要诠释负面证据总是很困难。有句俏皮话就提醒我们：《没有证据不是《没有》的证据。》抗氧化物无用的这项事实（如果是事实的话），始终有可能和运送方面的困难有关：可能是剂量不对，抗氧化物不对，分布不对，或时机不对。要到什么时候我们才有资格转身离开，说一句：《不是药理学的问题，抗氧化物真的没有用。》这答案因人而异，有一些出色的学者至今尚未掉头离去。但在九零年代时，这个领域整体而言已经转身离开了。正如两位着名的自由基权威，哥特里奇和哈立维尔数年前所说的：《到了九零年代，我们已经很清楚抗氧化物不是老化和疾病的万灵丹，只剩下替代医学还在兜售这项概念。》

我们还有更强大的理由去质疑抗氧化物的地位，这些理由来自于比较研究。之前我提过一项预测，是说长寿的动物抗氧化物的含量应该会比较高。这项预测一时之间看起来没有问题，但只有在数据经过一些无伤大雅的统计小手段处理过后，预测才会成立。八零年代时，美国巴尔的摩国家老化研究中心的克特勒，发表过一篇稍有训导之嫌的报告，说长寿动物身上的抗氧化物比短命的动物更多。问题是，他是用抗氧化物相对于该动物代谢率的形式来呈现他的数据。然而这样却会让人忽略，其实代谢率和寿命之间的关联性远比这项关联更强。换句话说，只有在拿代谢率当分母时，老鼠的抗氧化物含量才会显得比人类少，而老鼠的代谢率是人类的七倍，怪不得可怜的老鼠会显得那么缺乏帮助！这样的花招掩盖了抗氧化物含量和寿命之间的真正关系，老鼠细胞内的抗氧化物其实远比人类来得多。在那之后，超过十个独立研究都确诊了抗氧化物含量和寿命其实是呈负相关；也就是说，抗氧化物浓度愈高的动物，寿命愈短。

在这意料外的关系中最有趣的一点，或许是抗氧化物含量竟然紧紧追着代谢率。如果代谢率高，那么抗氧化物含量也会很高，推测这是为了防范细胞的氧化；不过这样的生物寿命还是很短。相反的，如果代谢率低，那抗氧化物含量也会低，想必是因为细胞氧化的风险没有那么大；然而这样的生物寿命还是很长。身体似乎不会浪费任何时间精力来制造必要之外的抗氧化物，只会单纯地用它们来维持细胞内氧化还原状态的平衡（意指使氧化分子和还原分子的动态平衡维持在最适合细胞运作的状态）。短命和长寿的动物，都靠着平衡抗氧化物浓度和自由基的生成速率，让细胞维持着相似而有弹性的氧化还原态，而寿命长短完全不受抗氧化物浓度所影响。于是我们被迫作出以下结论：抗氧化物几乎和老化无关。

这些想法在鸟类身上获得证实。以鸟类的代谢率来说，它们的寿命很长。根据原始版本的线粒体老化理论，鸟类身上的抗氧化物含量应该会比较高才对，但这一次它又错了。这两者之间没有一致的关系，不过普遍而言，鸟类的抗氧化物含量比哺乳类低，和预测正好相反。还有一个判例是卡路里限制。卡路里限制是目前唯一被证明能延长哺乳类（如大鼠和小鼠）寿命的机制。它的实际运作方式为何目前还没有定论，但它和抗氧化物含量之间的关系，在不同物种身上状况似乎也会不同。抗氧化物浓度有时会上升，有时则会下降，但没有明显一致的关联性。好不容易，九零年代初出现了一项振奋人心的研究，指出经基因改造而表现较多抗氧化酶的果蝇会活得比较久，然而这到头来却成了绝响，至少原本的这群学者再也没有得到类似的结果了（他们将长寿和短寿的果蝇品系区分开来，而提高抗氧化物的含量，可以使短寿品种的果蝇寿命延长，换句话说，此举可能矫正了某种遗传缺陷）。若从上述的一切可以推衍出任何结论，那绝对不会是《高含量的抗氧化物能让营养状况良好的健康动物延长寿命。》

让我们受困于抗氧化物陷阱的理由很简单：从呼吸链漏出来的自由基不是固定比例的，哈曼原始的假设是错的。虽然自由基的渗漏量通常确实会反映出耗氧量，但也有可能被调高或调低。换句话说，自由基的渗漏率绝非呼吸作用不受控制、无法避免的副产品，它是受到控制的，而且大体上是可以避免的。根据马德里大学的巴尔哈与他同事的开创性研究，鸟类之所以会长寿，是因为它们的呼吸链渗出来的自由基本来就比较少。因此，虽然它们会消耗大量的氧气，却不需要拥有这么多抗氧化物。请注意，卡路里限制似乎也可能是以类似的方式作用。虽然它们有很多种遗传变异，但其中最重要的就是能在耗氧下相同的状况下，限制线粒体自由基渗漏的变异。也就是说，长寿的鸟类和哺乳类，都会降低呼吸链自由基渗漏的比例。

这个答案看起来相当无害，但实际上它非常麻烦，还在原本的主流老化演化理论上钻了一个洞。问题是这样的。长命的动物之所以活得长，是因为它们限制了自己的线粒体自由基渗漏。既然老化的速率是自由基因控制，那么鸟类应该针对低自由基渗漏进行过筛选（人类想必也是，只是程度不如鸟类）。很好。但如果自由基只有坏处，为什么老鼠不也限制一下它们的自由基，让自己过得好一点呢？这么做似乎不用付出什么代价，甚至是恰好相反，老鼠也不用继续制造额外的抗氧化物避免自己被氧化。而且这为它带来的好处一定很多，因为长命的老鼠就有比较多的时间，可以留下更多的后代。所以，只要限制自由基的渗漏，老鼠（人类也是一样）就可以活得更久，完全免费。

那它们为什么不要呢？是因为有什么潜在的代价吗？或是我们对老化的想法需要彻底修正？一般认为，长寿的代价是一定程度的性衰退。根据纽卡索大学的柯克伍德最先提出的《抛弃式体细胞理论》，寿命会和生育力彼此制衡：长寿的物种一胎的数目往往比短命的物种少，生养后代的频率也比较低。这无疑是正确的，至少大部分已知的案例都是哪些。但背后的原因则没有那么明确。柯克伍德暗示，这可能和个别细胞以及组织中资源利用的平衡有关，把资源用来达到生殖成熟，以及提高一胎的数目时，就会瓜分掉用来确保细胞寿命（例如DNA修补、抗氧化酶，还有抗压力）所需的资源，毕竟，分配有限资源的方法就只有那几种。然而巴尔哈的数据挑战这个想法。限制自由基渗漏应该无需付出生育力做为代价，因为减少细胞受伤害并不需要提升抗压力性；柯克伍德所说的代价，在这里被排除了。所以，如果抛弃式体细胞理论是正确的，那限制自由基渗漏应该有某种潜在的代价；在最后一章，我们将会发现，潜在代价确实存在，而且它对我们追求长寿的探索，有着重要的意涵。

若想了解个中原因，我们必须思考来自哈曼线粒体理论的另一个预测（这个预测同样也造成了一些麻烦）。这项预测是说，自由基不一定会大肆破坏整个细胞构造（因为它们会被抗氧化物清除掉），但是线粒体一定会受到伤害，尤其是线粒体DNA。实际上哈曼只是顺便提了一下线粒体DNA，但是这后来却变成了这项理论的信条。且让我们来看看原因为何。理想预测和大煞风景的现实之间的落差，最能告诉我们事实的真相。

线粒体突变

哈曼主张，既然自由基的活性这么强，那么从呼吸链渗漏出来的自由基主要的影响对象应该会是线粒体本身，因为它们外泄后就当场产生作用了，对其他较远的部位伤害不大。接着他相当敏锐地问道，线粒体随着年龄增长逐渐衰退，会不会《有部分是因为线粒体DNA的功能发生了改变而造成的呢？》这一串效应是这样的：自由基从呼吸链漏了出来，袭击附近的线粒体DNA，造成了一些影响线粒体功能的突变。随着线粒体的衰退，细胞整体的效能也会下降，导致出现了老化的特征。

数年之后，西班牙亚立坎提的米克尔及其同事，以更精确的方式表述了哈曼那敏锐的问句。他们在一九八零年的那番陈述，至今仍是线粒体老化理论最为人熟悉的一个版本，尽管其中有很多地方其实与数据不符，这部分我们之后就会看到。陈述的内容大致如下：蛋白质、糖类还有脂质等等所受的伤害是可以修复的，除非受伤速率压倒性地快（例如是辐射中毒之后），否则这些损伤并不危险。DNA则不同。虽然DNA受到的伤害也可以修复，但有时某些损伤会打乱原本的序列，因而产生突变。突变是DNA序列上可遗传的变异。除非靠随机的反突变回复原本的序列，或是和另一条未突变的DNA进行重组，否则就不可能恢复原本的序列了。不是所有的突变都会影响蛋白质的结构和功能，但是其中一些确实会。一般状况下，突变愈多，愈有机会产生负面的影响。

理论上，线粒体的突变会随着年纪累积。当它们逐渐累积，整个系统的效能便慢慢开始崩毁。遵照一套不完美的指示是不可能塑出完美的蛋白质的，因此开始有一定程度的低效因子被组装到这些蛋白质里。更糟的是，如果突变会影响线粒体中的呼吸链，那自由基的渗漏率就会上升，形成愈演愈烈的恶性循环。这样的正向反馈最终会演变成一起《误差灾变》，细胞的一切功能都失去控制。等到组织内大部分的细胞都败给了这样的命运，就会造成器官的衰竭，剩下的器官也因而必须承受更大的负担。无可避免地导致老化及死亡。

那么，突变影响呼吸链蛋白质的机会大不大呢？压倒性地大。我们已经看过，有十三个核心呼吸蛋白是由线粒体DNA表现的，这些DNA就固定在呼吸链旁的膜上。所有外漏的自由基几乎都注定会和这些DNA发生反应，突变只是迟早的事。而我们也已经知道，线粒体表现的蛋白质和细胞核表现的蛋白质之间有亲密的交互作用。任何一方发生改变都可能削弱这样的亲密性，并且影响整个呼吸链的功能。

如果你觉得这听起来很可怕，接下来的还要更糟。一系列吓人的发现，使得这整套装置看起来象是个邪恶的生化大神搞出来的恶劣玩笑。我们被告知，线粒体DNA不只是被放在焚化炉里，而且还被剥夺了正常的护具——它没有被包裹在保护性组蛋白上；它几乎没有能力修复氧化性伤害；而且它的基因全都紧紧挤在一起，没有《垃圾》DNA做缓冲，任何部位的突变都很有可能引发浩劫。这样的安排似乎没有意义，如此恐怖的场景大可不必出现——明明大部分的线粒体基因都已被转移到细胞核，剩下的那一小部分似乎摆错了地方。格雷，这位领域中最具原创性、最活跃的思想家甚至提出，把剩下的线粒体基因转移至细胞核，或许就能治疗老化造成的摧残。这点我不同意（原因我们之后就会看到）不过我很能理解他为什么会提出这样的论点。

如此愚蠢的系统为什么会演化出来？答案会因每个人对演化的观点而有所不同。古尔德就曾抱怨，生物学界中有种他所谓的《适应主义纲领》，让他很灰心。这个假设认为一切都是适应的结果，换句话说，万事万物的背后都有原因，不管乍看有多么无用，也都是由天择打造出来的。即便是今天，生物学家也可以分成两类，一类拒绝相信自然界有任何事是没有目的的，另一类则相信有些事就是不在直接控制的范围之内。《垃圾》DNA真的是垃圾吗？还是有什么我们所不知道的目的呢？这点我们不能肯定，而且问不同人会得到不同的答案。同样的，老化的《意义》也众说纷纭。最广为接受的观点是，变老后我们生育的可能性比较低，所以会在晚年构成伤害的基因变异比较不容易被天择淘汰。而线粒体DNA上的突变是晚年才会累积起来，因此天择无法提出有效的机制移除它们。只有在预期寿命变长时，筛选才能在这段延伸的时光中发挥作用。例如某些动物，被隔绝在没有天敌的岛上；或是像鸟类，可以飞离原地；或像人类，有大容量的脑和社会结构可以利用。如果我们同意这项观点，那么，上述的彻底愚行（将防护措施不全的线粒体基因存放在焚化炉）就是这样的状况，是演化历史上的一宗意外。

这项虚无主义的见解正确吗？我不这么认为。问题在于它的推理一板一眼，太化学了，没有考虑到生物学的机动变化特性。稍后我们将看到其中的差别。尽管如此，这仍是个大胆的理论，它还有个优点：它做出了几项明确而且可验证的预测。我们将会深入探讨其中的两项。第一，这个理论预测线粒体突变的侵蚀性足以造成老化的整条悲惨轨迹。我们将会发现这可能是真的。但第二项预测很有可能是错的，至少它原本提出的那套恐怖观念——也就是线粒体突变会随年龄累积的部分是错的。如果突变会累积，最终应该会导致一场《误差灾变》。而没有什么有力的证据能证明这样的情况会发生。且让我们来看看个中奥秘。

线粒体疾病

第一宗线粒体疾病的报告出现在一九五九年，比线粒体DNA的发现略早几年。病患是一名二十七岁的瑞士女性，她的代谢率是人类有记录以来最高的，但她荷尔蒙分泌完全正常。原本问题是出在她的线粒体控制有缺失，就算不需要ATP，她的线粒体也以全速进行呼吸作用。因此，她吃个不停却总是很瘦，就算在冬天也是满身大汗。遗憾的是，她的医生对此束手无策，十年后她便自杀身亡了。

接下来的二十年间陆续有病患被诊断为罹患线粒体疾病，诊断的依据通常是临床记录以及各种专门检验。比方说，在很多线粒体功能不正常的病例中，即使在静止不动的状态，病患的血流中也会有乳酸堆积（无氧呼吸的一种产物）。肌肉的活体组织切片往往会显示有些肌纤维严重受损（通常不是全部），它们在病理组织切片中会被染成红色，被称为《破碎红纤维》。生化检验会发现这些纤维缺乏呼吸链的最后一个酶，也就是细胞色素氧化酶，这使得它们无法行呼吸作用。

从临床角度来看，这些报告只不过是零星的科学轶闻。不过在一九八一年之后，整个风向开始转变。那里，两度获颁诺贝尔奖的桑格，与他的剑桥团队发表了人类线粒体基因体的完整序列。经过八零和九零年代，定序技术有了长足进步，我们已经可以靠着线粒体基因的定序，对许多疑似患有线粒体疾病的病人进行诊断。结果相当惊人，它不只显示出线粒体疾病多么普遍（每五千个新生儿中就有一人患有线粒体疾病），也显示了它们有多么古怪。线粒体疾病藐视正常的遗传学法则。它们的遗传模式异乎寻常，通常不遵守孟德尔遗传定律。不同病患发病的时间可能相差数十年，在某些《理应》遗传到病症的个体身上，这种疾病偶尔甚至会完全消失。普遍而言，线粒体疾病会随着年龄增长愈演愈烈，若说某种疾病在二十岁时会造成患者些微的不便 ，在四十岁可能会使他大伤元气。除此之外，几乎归纳不出共通点。携带同种突变的不同个体，受侵袭的组织也可能大不相同，然而不同的突变却很有可能会侵袭同样的组织。如果你想保持神智清楚，就不要去读线粒体疾病的教科书。

虽然要分类线粒体疾病非常困难，但还是有些一般原则有助于提纲挈领地解释事情背后的推力。同样的原则也和老化息息相关。请回忆一下第六章，线粒体通常遗传自母亲，尽管如此，卵细胞内的线粒体DNA变异性还是高得惊人。我们曾看到，一位具有生育能力的一般女性，其同个卵巢内就有半数的卵细胞有某种程度的异质性（遗传上互不相同的线粒体混杂在一起）。如果这些变异对线粒体的性能影响不大，在胚胎发育的过程中便不会被移除。

不过为何缺陷可以不影响胚胎的发育呢？可能性有很多。其中一种可能是继承到的缺陷线粒体数目不多。所有的线粒体疾病都是异质性的，也就是说病患同时有正常和不正常的线粒体。如果卵所承袭的十万个线粒体中，只有百分之十五不正常，那么它们的缺点或许可以靠其他多数的健康线粒体遮掩。还有一种可能是，突变的伤害性比较小（不过含突变的线粒体所占的比例较大，或许可达百分之六十）。在这样的情形下，虽然有大量的突变，胚胎还是可以正常发育。此外还有分配的问题。当一颗细胞发生分裂，其线粒体会随机地被分配到两个子细胞内。一个细胞有可能会继承所有的突变线粒体，同时另一个细胞内全都是正常的本，其他任何比较不极端的组合方式也都有可能。在发育期间的胚胎内，各个细胞因未来所处的组织不同，对线粒体提出的代谢需求也各自不同。如果一个细胞将来会发育成寿命长，代谢旺盛的组织（象是肌肉、心脏，或是脑），而它刚好遗传到大量有缺陷的线粒体，可能会导致全盘皆输；但如果有缺失的线粒体落脚在寿命短，或代谢比较不活跃的细胞中（例如表皮细胞或是白血球），那么胚胎还是很有可能正常发育。因为门槛的不同，所以较严重的线粒体疾病影响的都是寿命长、耗能高的组织，特别是肌肉和脑部。

老化也有类似的状况。在我们身上，有缺陷的线粒体并非全部承袭自卵细胞，有些是在成年后才累积起来的，罪魁祸首是正常代谢所产生的自由基。受影响的细胞内产生了混杂的线粒体族群。而接下来会发生什么事呢？这会依细胞的种类而有所不同。细胞如果是成体干细胞（负责更新组织），结果可能会是带有同样缺陷的线粒体大幅复制扩张。这样的现象会发生在某些肌纤维上，产生线粒体疾病特有的《破碎红纤维》，不过这同时也是《正常》的老化现象。相反的，如果突变影响的是不再分裂的长命细胞，象是心肌细胞或是神经元，那么突变就会困在单一细胞内，不会扩散。因此我们会预期在每个细胞里看到不同的突变，不同效能的线粒体混杂在一起，形成某种镶嵌的样貌。

线粒体疾病的另一个层面也和正常老化有关——它们有随着年龄发展的趋势（愈来愈令人衰弱）。其中的原因关系到组织及器官的代谢效能。之前有看到，每种器官发挥正常效能要求的性能门槛不同。而只有在器官的效能下滑到低于自己的门槛时，症状才会发作。打个比方，就像我们如果完全失去一边的肾脏可能还可以正常活动，但要是第二颗肾脏也开始衰竭，除非接受洗肾或器官移植，否则我们就会死亡。身体的所有工作都需要能量，因此一个器官的门槛就取决于其代谢需求。如果线粒体疾病侵袭的刚好是代谢需求比较低的组织，例如皮肤，影响会比较轻微，但如果受影响的肌肉那样活跃的细胞，就会比较严重。类似的过程也发生在细胞老化的组织中。一个青春年华的肌肉细胞，里头有百分之八十五的线粒体都是《正常》的，在年轻的风貌中，它所背负的一切能量需求它都应付得来；但当它内部的线粒体随着年龄减少，余下的线粒体所背负的能量需求便增加了。我们愈来愈逼近代谢门槛。因此，随着我们愈来愈老，突变族群造成的损伤就愈来愈无法滥竽充数。

不过，线粒体突变的破坏性是否严重到足以引发老化的整条悲惨轨迹呢？有些突变确实可以。有种极端骇人的疾病，会让一些外观正常的婴儿在出生后旋即丧失线粒体DNA，迅速地导致肝脏和肾脏的衰竭。这种疾病严重的时候，损失的线粒体DNA会高达百分之九十五，受难的小婴儿在数周或数个月之内就会死亡，尽管他们在出生的时候看起来很正常。其他更常见的疾病包括凯塞症候群和皮尔森氏症候群，它们会在稍晚的时期造成严重的残疾，并导致早夭。其典型症状类似于代谢毒素（如氰化物）引起的慢性中毒，包括运动失调（运作失去协调性）、癫痫、运作障碍、失明、失聪、类似中风的症状，以及肌肉退化。有种线粒体突变牵涉到的状况甚至类似X症候群——一群结合了高血压，糖尿病，以及高胆固醇和高三酸甘油脂的恐怖症候群，据闻有四千七百万名美国人患有此疾。显然，线粒体基因上的突变有可能造成非常严重的结果，这样的破坏力想必足以导致老化。但其他的线粒体疾病远远没有这么严重，而问题就出在这里。

线粒体疾病的严重程度，除了要看出现突变的线粒体以及组织占多少比例，还会取决于突变的类型，也就是要看基因是哪一个部分受到了影响。如果突变袭击的是编写特定蛋白质的某个基因，那它可能会造成毁灭性的结果，但也可能不会；实际上，它还有可能会带来好处。另一方面，如果突变影响的是编写RNA的基因，后果通常会很严重。这样的突变，依照RNA种类的不同，可能会造成所有线粒体蛋白质，或是所有包含某一胺基酸的蛋白质，在合成上发生改变。控制区的突变也可能会导致严重的后果，因为，线粒体在因应需求变化而进行复制或合成蛋白质时的整个动态，都可能会因此而改变。

突变也有可能发生在那些表现线粒体蛋白质的核基因上，并且也会造成类似的影响。如果细胞核内的突变影响的是某个线粒体转录因子，其功能是控制线粒体蛋白质的合成，那么理论上，它的效应会遍及全身的所有线粒体。但是，有些线粒体转录因子似乎只有在特定的组织才会有活性，或是对特定的荷尔蒙有反应。发生在这些基因上的突变往往就会造成组织特异性的影响。

总而言之，这些考量可以解释线粒体疾病的极度多相性。一个突变影响的可能是一种蛋白质，或是包含某种氨基酸的所有蛋白质，或是一口气影响线粒体的所有蛋白质，或是需求改变时的蛋白质合成速率。突变可能具有组织特异性，也可能一视同仁地侵袭整个身体。如果突变发生在细胞核基因，它们会依传统的孟德尔模式遗传；如果发生在线粒体基因上，就只会从母亲身上遗传。如果是后者，其效应取决于突变线粒体所占的比例，还有胚胎发育期间它们在细胞分裂时的分配方式，以及所属器官的代谢门槛。

列举了上述这种程度的多相性，我们会发现，那异常宽广的疾病光谱存在着一个问题。虽然每个人往往会死于不同组合的退化性疾病，但所有人老化的基本过程却都大致相同。这样的基本相似性怎么会出现在我们身上？不只在人跟人之间，还出现在其他老化速率完全不相同的动物身上。如果线粒体突变会在老化过程中随机地累积，那为什么大家不会以截然不同的方式和速度变老，就像线粒体疾病那样，随机又多样？答案我们可以想象，或许是因为只有某类突变可以累积下来。但这又直接导致了第二个问题：会累积的突变，其强度和种类似乎不足以引起老化。所以究竟是发生了什么事呢？

老化的线粒体突变矛盾

研究老化的基因突变，已被证明是件令人沮丧的工作。有个颇被看好的理论，主张累积了一辈子的核基因突变，便是老化背后的罪魁祸首。虽然核基因对老化有所贡献这点毫无争议（特别是对癌症这类的疾病而言），但寿命长短和细胞核突变的累积完全没有关系，因此这不可能是老化的根本原因。

关于老化的演化，大家普遍接受的理论是由霍尔登和梅达沃率先提出的。它是突变这项主题的变奏：如果突变不是一辈子累积下来的，那或许是好几辈子累积下来的。天择没有能力移除那些在生命后期才会出现负面影响的基因。亨丁顿舞蹈症便是个经典的例子，它在性成熟之后很久才会发作，因此基因可以在这之前传给子代，如此天择便无法将它淘汰。亨丁顿舞蹈症是特别可怕的一种情形，而在此同时，还有多少基因也是在生命后期才会出现影响的呢？霍尔登认为，老化就象是个搜集迟发性基因突变的垃圾桶，它们无法被天择淘汰，因此一代传一代，便累积了成千上百个这样的突变。这个想法必定是有几分真实性的，但我认为，它仍旧不符合我们在自然界所观察到的状况：老化是有可塑性的。将近二十年的遗传研究显示，在关键的基因上，单单一个点突变就可以戏剧性地延长寿命，就连在哺乳类身上也是这样。如果老化真的是被写进了数百或数千个基因的实体序列里，上述的状况就一定不可能发生。就算有某个关键的基因控制着其他众多基因的活性，这些附属的基因依旧是突变过的——出问题的是它们的序列，不是它们的活性。如果要修正这些序列，得要产生数千个突变，而且它们还必须发生在正确的基因上，才开始会对寿命长短产生影响，而这一定至少得花上好几代。事实上，不论出于什么原因，寿命长短是受到管制的，放眼整个动物界都是如此，而其控制的严密程度令人吃惊。

线粒体的突变也有自己的故事，而这个故事同样很难和现实达成和解。不过乍看之下，线粒体基因似乎比较有机会将老化和疾病解释清楚。这有两个原因。第一，正如我们在上一节所见，线粒体突变在世代之间累积的速率远比细胞核来得快。因此，线粒体突变比较有可能在单单一辈子的时间内累积起来，所以理论上可能会比较符合老化的衰退速率。第二，这些突变确实有能力侵蚀生命；它们绝对不是次要的小配角。线粒体疾病已经强调了这些突变可能会有多大的毁灭性。

所以线粒体突变的累积速度到底有多快呢？这点很难肯定，因为世代间的变化速率会受到天择的约束。大部分线粒体基因的演化速率约是核基因的十几二十倍，控制区的部分则可高达五十倍。因为只有不会造成毁灭性伤害的突变才会被《固定》下来（否则会被天择淘汰），所以变化发生的速率实际上一定还要更快。一九八九年，澳洲蒙纳许大学的里南以及他于日本名古屋大学的合作者，在《柳叶刀》发表了一篇论文，他们以酵母菌做为材料进行研究，试图掌握实际发生变化的速度。酵母菌可以告诉我们很多事。任何一名酿酒师都知道，它可以不仰赖氧气。酵母菌也可以行发酵作用，产生酒精和二氧化碳。发酵作用是在线粒体外进行的，所以酵母菌对线粒体伤害的容忍很高，就算线粒体严重受损，它们也可以存活。这类的损伤，最初是在四零年代发现《小型菌落》品系的酵母菌时被注意到的，这种酵母菌的成长很迟缓。原来，小菌落突变体有一大段线粒体DNA不见了，发生缺失的突变体因此无法进行呼吸作用。重点是，小菌落突变体会在细胞培养的状况下自发性地出现，速率约是每一千个细胞会出现一个到十个，视酵母菌品系而异。相形之下，细胞核突变的发生速率慢到让人几乎感受不到它的存在。核基因的突变率在酵母菌或是动物之类的高等真核生物都一样，大约每一亿个细胞会出现一个突变。以酵母菌的经验来判断，为本突变累积的速率至少是细胞核的十万倍。如果动物的突变率也是这么高的话，那么这绝对足以解释老化；事实上，我们为什么不会马上倒毙还比较难解释呢！

于是大家开始研究线粒体突变在动物和人类组织里的累积速度。我必须说这个领域很有争议，而共识也才刚刚开始萌芽。有一部分的问题是出在检测突变的技术上：测序DNA所使用的技术有时会放大突变的序列，牺牲《正常》的序列，使我们很难估量DNA受损的程度。后果就是，不同实验室得到的结果极为不同，差距幅度有时会高达一万倍。期望找到线粒体突变的人往往会找到突变，而不相信的人总是什么都没看到；各行各业都常发生类似的情形。我几乎可以肯定，这不是研究人员故意捏造数据，而是因为他们的着眼点和观察方法不同：他们双方可能都没有错。

在这样的背景之下，试图提出明确的主张或许失之轻率，不过我还是会试试看。这幅逐渐清晰的图像确实暗示双方都是对的。突变线粒体的命运，似乎会依突变的位置而有所不同——取决于它们是坐落在线粒体基因体的控制区，还是在编码区域。

如果突变发生在控制区（负责复制线粒体DNA的蛋白质因子会与之结合），它们便有可能繁盛起来，甚至可以透过复制占领整个组织。这些突变不一定会造成多大的功能缺陷。阿特帝（测序线粒体DNA的先驱）和他在加州理工学院的同事，于一九九九年时在《科学》发表了一篇开创性的论文，这篇论文指出，控制区的许多突变会累积在老人的身体组织中，超过半数的线粒体DNA上，但它们大多不会出现在年轻人的身上。我们可以接受某些种类的突变的确会随着年龄大量累积，但我们不能肯定这些突变是否有害，因为它们没有影响到编写蛋白质的基因。它们当然不是全都有害。阿特帝团队在二零零三年发表的另一篇重要论文便证明，某个控制区上的突变，反而和一个义大利族群的长寿有关。这个突变是种单一字母的变异，它在百岁以上的族群里出现的频率是一般人口的五倍，这暗示它或许提供了某种生存优势。

相较之下，如果突变出现在编写功能蛋白或是RNA的区域，它们的累积含量很少会超过百分之一，远不足以造成能量短缺。有趣的是，功能性的线粒体突变（如细胞色素氧化酶的缺陷），会在特定的细胞内复制增殖，于是突变就会占领整个细胞。这种状况会发生在某些神经元、心肌细胞，甚至是老化肌肉的破碎红纤维。然而，这类突变在整个组织内所占的比例也很少超过百分之一。可能的解释有两种。一种是，不同细胞可能会累积不同的突变，因此特定的某种突变只是诸多突变的冰山一角。另一种解释是，大部分线粒体突变单纯就是不会在老化组织里大量累积。事实的真相可能会令你大吃一惊，因为它似乎比较接近第二种解释。许多研究已证实，老化组织内大部分的线粒体都拥有大致正常的DNA，只有控制区或许会有些许变异；此外，它们行呼吸作用的能力也几乎完全正常。已知在线粒体疾病的案例中，突变线粒体的数目要高达百分之六十才会减弱细胞的效能，那么区区百分之几的突变负担，似乎不足以解释老化，至少就原始线粒体理论的教条来看是不够的。

所以这到底是怎么一回事？我发觉我在问一个蠢问题：我们知酵母菌真的相差那么多吗？我怀疑会有多少读者因为这个问题而夜不成眠。然而这的确值得深思！酵母菌的线粒体突变累积得很快，我们的则是大部分的区域都不会。从能量的角度来看，我们的运作方式和酵母菌相差无几，唯一的差别是我们仰赖我们的线粒体，酵母菌则否。此间的差别或许泄漏了天机——答案就是必要性。姑且说，我们会在控制区的区域累积突变，单纯是因为它们不会构成大问题：它们对功能的影响不大，而大部分的功能性突变不会累积是因为它们会造成问题。这听起来很合理，不过这就暗示了组织内会进行某种筛选，挑出最好的线粒体（即使是由长命的细胞所构成的组织，例如心脏和脑）。因此，我们眼前有两种可能性。要不是线粒体老化理论完全错误，就是线粒体的突变率确实和酵母菌相似，只不过组织内的筛选会移除突变体，留下最好的线粒体。如果是这样，那么线粒体的功能一定远比原始线粒体老化理论的设定更为灵活。哪个才是正确的呢？

2024-07-06 16:41:49