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著眼點和觀察方法基本上已經決定了你看到的東西。

如果你想保持神智清楚，就不要去讀線粒體疾病的教科書。

壽命長短和細胞核突變的累積完全沒有關系，因此這不可能是老化的根本原因。

第十六節 線粒體老化理論

在生物學領域中首開自由基研究的先驅哈曼，在一九七二年率先提出了線粒體老化理論。哈曼的中心思想很單純：線粒體是體內含氧自由基的主要來源。這種自由基具有破壞性，會攻擊細胞內的各種組成要件，包括DNA、蛋白質、脂質膜，以及糖類。這些損傷大多都可以靠著細胞元件的正常更替獲得修補或替換。但若是容易受傷的熱點，尤其是線粒體本身，光靠飲食攝取的抗氧化物是很難保護它們的。于是哈曼表示，老化的速率以及退化性疾病發病的時間，應該是由自由基自線粒體滲漏的速率，以及細胞固有的保護及修復能力共同決定的。

哈曼的論點奠基在哺乳類代謝率與壽命之間的關聯性上。他明確地將線粒體稱為《生物時鐘》。他說，本質上代謝率愈快，耗氧量就愈大，而自由基的生成量因而也會愈多。我們會發現這條關系式通常是對的，但不是絕對。這項但書看起來或許微不足道，但卻害得整個領域迷惑了一個世代。哈曼提出了一個完全合理的假設，但現在已被證明是錯誤的。不幸的是，在一般意義上，他的假設已和這個理論難分難解了。推翻這個假設并不會駁倒哈曼的理論，但確實會推翻他最重要也最廣為人知的一項預測：抗氧化物可以延長壽命。

哈曼這項有理但卻造成混淆的假設是，線粒體呼吸鏈的自由基滲漏比率是固定的。他推測，流經呼吸鏈的電子以及所需的氧氣，是細胞呼吸作用的兩大要件，而基本上，滲漏是這個機制中一項不受控制，無法避免的副作用。據理論所述，有一部分的電子一定會漏出來，和氧直接作用，形成具破壞性的自由基。如果自由基滲漏的比率是固定的（就假設是總流通量的百分之一好了），那么總滲漏量就會取決于耗氧量。代謝率愈高，電子和氧氣的流通愈快，而自由基的滲漏也會愈快，盡管實際滲漏的自由基比率都沒有變過。因此代謝率快的動物產生自由基的速度也快，而且壽命比較短；而代謝率慢的動物自由基產生得慢，而且可以活得很久。

在第四章中，我們發現一個物種的代謝率和其體重的三分之二成正比，體重愈重，個別細胞的代謝率就愈慢。這項關系大致上和基因無關，而是由生物學的冪次定律所決定的。現在，如果自由基的滲漏完全取決于代謝率，那么可以推測，相對于物種的代謝速率延長其壽命的唯一方法，就是增強抗氧化物（或是抗壓力）的保護力。因此，原始的線粒體老化理論隱含了一項暗示性的預測，即壽命較長的生物一定天生就有比較強的抗氧化保護力。因此，長命的鳥類體內積蓄的抗氧化物一定比較多。所以如果我們想要活得更久，就得為自身尋求更強的抗氧化保護力。哈曼推測，目前（這里指的是一九七二年）我們之所以還無法靠著抗氧化物療法延長壽命，只是因為要將抗氧化物直接送達線粒體很困難。盡管此后又經歷了三十多年的努力及失敗，但今天還是有很多人認同這項主張。

依我看來，這些觀念很頑強但卻是錯誤的。它們緊緊黏著線粒體老化理論，一如附骨之疽。尤其，價值數十億美元的健康食品產業，就奠基在抗氧化物或許能讓我們延長壽命的概念上，但缺乏實質的證據來其主張；而不知為何，這個產業卻不同于圣經所述的蓋在沙土上的房子，至今仍然屹立不搖。超過三十年來，醫學研究人員和老年醫學家（包括我自己）不斷將抗氧化物投入各種衰退的生物系統里，然后發現這就是不管用。它們或許可以糾正飲食中的營養缺乏，或許也可以預防某些疾病，但是完全不會影響生物的最長壽命。

要詮釋負面證據總是很困難。有句俏皮話就提醒我們：《沒有證據不是《沒有》的證據。》抗氧化物無用的這項事實（如果是事實的話），始終有可能和運送方面的困難有關：可能是劑量不對，抗氧化物不對，分布不對，或時機不對。要到什么時候我們才有資格轉身離開，說一句：《不是藥理學的問題，抗氧化物真的沒有用。》這答案因人而異，有一些出色的學者至今尚未掉頭離去。但在九零年代時，這個領域整體而言已經轉身離開了。正如兩位著名的自由基權威，哥特里奇和哈立維爾數年前所說的：《到了九零年代，我們已經很清楚抗氧化物不是老化和疾病的萬靈丹，只剩下替代醫學還在兜售這項概念。》

我們還有更強大的理由去質疑抗氧化物的地位，這些理由來自于比較研究。之前我提過一項預測，是說長壽的動物抗氧化物的含量應該會比較高。這項預測一時之間看起來沒有問題，但只有在數據經過一些無傷大雅的統計小手段處理過后，預測才會成立。八零年代時，美國巴爾的摩國家老化研究中心的克特勒，發表過一篇稍有訓導之嫌的報告，說長壽動物身上的抗氧化物比短命的動物更多。問題是，他是用抗氧化物相對于該動物代謝率的形式來呈現他的數據。然而這樣卻會讓人忽略，其實代謝率和壽命之間的關聯性遠比這項關聯更強。換句話說，只有在拿代謝率當分母時，老鼠的抗氧化物含量才會顯得比人類少，而老鼠的代謝率是人類的七倍，怪不得可憐的老鼠會顯得那么缺乏幫助！這樣的花招掩蓋了抗氧化物含量和壽命之間的真正關系，老鼠細胞內的抗氧化物其實遠比人類來得多。在那之后，超過十個獨立研究都確診了抗氧化物含量和壽命其實是呈負相關；也就是說，抗氧化物濃度愈高的動物，壽命愈短。

在這意料外的關系中最有趣的一點，或許是抗氧化物含量竟然緊緊追著代謝率。如果代謝率高，那么抗氧化物含量也會很高，推測這是為了防范細胞的氧化；不過這樣的生物壽命還是很短。相反的，如果代謝率低，那抗氧化物含量也會低，想必是因為細胞氧化的風險沒有那么大；然而這樣的生物壽命還是很長。身體似乎不會浪費任何時間精力來制造必要之外的抗氧化物，只會單純地用它們來維持細胞內氧化還原狀態的平衡（意指使氧化分子和還原分子的動態平衡維持在最適合細胞運作的狀態）。短命和長壽的動物，都靠著平衡抗氧化物濃度和自由基的生成速率，讓細胞維持著相似而有彈性的氧化還原態，而壽命長短完全不受抗氧化物濃度所影響。于是我們被迫作出以下結論：抗氧化物幾乎和老化無關。

這些想法在鳥類身上獲得證實。以鳥類的代謝率來說，它們的壽命很長。根據原始版本的線粒體老化理論，鳥類身上的抗氧化物含量應該會比較高才對，但這一次它又錯了。這兩者之間沒有一致的關系，不過普遍而言，鳥類的抗氧化物含量比哺乳類低，和預測正好相反。還有一個判例是卡路里限制。卡路里限制是目前唯一被證明能延長哺乳類（如大鼠和小鼠）壽命的機制。它的實際運作方式為何目前還沒有定論，但它和抗氧化物含量之間的關系，在不同物種身上狀況似乎也會不同。抗氧化物濃度有時會上升，有時則會下降，但沒有明顯一致的關聯性。好不容易，九零年代初出現了一項振奮人心的研究，指出經基因改造而表現較多抗氧化酶的果蠅會活得比較久，然而這到頭來卻成了絕響，至少原本的這群學者再也沒有得到類似的結果了（他們將長壽和短壽的果蠅品系區分開來，而提高抗氧化物的含量，可以使短壽品種的果蠅壽命延長，換句話說，此舉可能矯正了某種遺傳缺陷）。若從上述的一切可以推衍出任何結論，那絕對不會是《高含量的抗氧化物能讓營養狀況良好的健康動物延長壽命。》

讓我們受困于抗氧化物陷阱的理由很簡單：從呼吸鏈漏出來的自由基不是固定比例的，哈曼原始的假設是錯的。雖然自由基的滲漏量通常確實會反映出耗氧量，但也有可能被調高或調低。換句話說，自由基的滲漏率絕非呼吸作用不受控制、無法避免的副產品，它是受到控制的，而且大體上是可以避免的。根據馬德里大學的巴爾哈與他同事的開創性研究，鳥類之所以會長壽，是因為它們的呼吸鏈滲出來的自由基本來就比較少。因此，雖然它們會消耗大量的氧氣，卻不需要擁有這么多抗氧化物。請注意，卡路里限制似乎也可能是以類似的方式作用。雖然它們有很多種遺傳變異，但其中最重要的就是能在耗氧下相同的狀況下，限制線粒體自由基滲漏的變異。也就是說，長壽的鳥類和哺乳類，都會降低呼吸鏈自由基滲漏的比例。

這個答案看起來相當無害，但實際上它非常麻煩，還在原本的主流老化演化理論上鉆了一個洞。問題是這樣的。長命的動物之所以活得長，是因為它們限制了自己的線粒體自由基滲漏。既然老化的速率是自由基因控制，那么鳥類應該針對低自由基滲漏進行過篩選（人類想必也是，只是程度不如鳥類）。很好。但如果自由基只有壞處，為什么老鼠不也限制一下它們的自由基，讓自己過得好一點呢？這么做似乎不用付出什么代價，甚至是恰好相反，老鼠也不用繼續制造額外的抗氧化物避免自己被氧化。而且這為它帶來的好處一定很多，因為長命的老鼠就有比較多的時間，可以留下更多的后代。所以，只要限制自由基的滲漏，老鼠（人類也是一樣）就可以活得更久，完全免費。

那它們為什么不要呢？是因為有什么潛在的代價嗎？或是我們對老化的想法需要徹底修正？一般認為，長壽的代價是一定程度的性衰退。根據紐卡索大學的柯克伍德最先提出的《拋棄式體細胞理論》，壽命會和生育力彼此制衡：長壽的物種一胎的數目往往比短命的物種少，生養后代的頻率也比較低。這無疑是正確的，至少大部分已知的案例都是哪些。但背后的原因則沒有那么明確。柯克伍德暗示，這可能和個別細胞以及組織中資源利用的平衡有關，把資源用來達到生殖成熟，以及提高一胎的數目時，就會瓜分掉用來確保細胞壽命（例如DNA修補、抗氧化酶，還有抗壓力）所需的資源，畢竟，分配有限資源的方法就只有那幾種。然而巴爾哈的數據挑戰這個想法。限制自由基滲漏應該無需付出生育力做為代價，因為減少細胞受傷害并不需要提升抗壓力性；柯克伍德所說的代價，在這里被排除了。所以，如果拋棄式體細胞理論是正確的，那限制自由基滲漏應該有某種潛在的代價；在最后一章，我們將會發現，潛在代價確實存在，而且它對我們追求長壽的探索，有著重要的意涵。

若想了解箇中原因，我們必須思考來自哈曼線粒體理論的另一個預測（這個預測同樣也造成了一些麻煩）。這項預測是說，自由基不一定會大肆破壞整個細胞構造（因為它們會被抗氧化物清除掉），但是線粒體一定會受到傷害，尤其是線粒體DNA。實際上哈曼只是順便提了一下線粒體DNA，但是這后來卻變成了這項理論的信條。且讓我們來看看原因為何。理想預測和大煞風景的現實之間的落差，最能告訴我們事實的真相。

線粒體突變

哈曼主張，既然自由基的活性這么強，那么從呼吸鏈滲漏出來的自由基主要的影響對象應該會是線粒體本身，因為它們外泄后就當場產生作用了，對其他較遠的部位傷害不大。接著他相當敏銳地問道，線粒體隨著年齡增長逐漸衰退，會不會《有部分是因為線粒體DNA的功能發生了改變而造成的呢？》這一串效應是這樣的：自由基從呼吸鏈漏了出來，襲擊附近的線粒體DNA，造成了一些影響線粒體功能的突變。隨著線粒體的衰退，細胞整體的效能也會下降，導致出現了老化的特征。

數年之后，西班牙亞立坎提的米克爾及其同事，以更精確的方式表述了哈曼那敏銳的問句。他們在一九八零年的那番陳述，至今仍是線粒體老化理論最為人熟悉的一個版本，盡管其中有很多地方其實與數據不符，這部分我們之后就會看到。陳述的內容大致如下：蛋白質、糖類還有脂質等等所受的傷害是可以修復的，除非受傷速率壓倒性地快（例如是輻射中毒之后），否則這些損傷并不危險。DNA則不同。雖然DNA受到的傷害也可以修復，但有時某些損傷會打亂原本的序列，因而產生突變。突變是DNA序列上可遺傳的變異。除非靠隨機的反突變回復原本的序列，或是和另一條未突變的DNA進行重組，否則就不可能恢復原本的序列了。不是所有的突變都會影響蛋白質的結構和功能，但是其中一些確實會。一般狀況下，突變愈多，愈有機會產生負面的影響。

理論上，線粒體的突變會隨著年紀累積。當它們逐漸累積，整個系統的效能便慢慢開始崩毀。遵照一套不完美的指示是不可能塑出完美的蛋白質的，因此開始有一定程度的低效因子被組裝到這些蛋白質里。更糟的是，如果突變會影響線粒體中的呼吸鏈，那自由基的滲漏率就會上升，形成愈演愈烈的惡性循環。這樣的正向反饋最終會演變成一起《誤差災變》，細胞的一切功能都失去控制。等到組織內大部分的細胞都敗給了這樣的命運，就會造成器官的衰竭，剩下的器官也因而必須承受更大的負擔。無可避免地導致老化及死亡。

那么，突變影響呼吸鏈蛋白質的機會大不大呢？壓倒性地大。我們已經看過，有十三個核心呼吸蛋白是由線粒體DNA表現的，這些DNA就固定在呼吸鏈旁的膜上。所有外漏的自由基幾乎都注定會和這些DNA發生反應，突變只是遲早的事。而我們也已經知道，線粒體表現的蛋白質和細胞核表現的蛋白質之間有親密的交互作用。任何一方發生改變都可能削弱這樣的親密性，并且影響整個呼吸鏈的功能。

如果你覺得這聽起來很可怕，接下來的還要更糟。一系列嚇人的發現，使得這整套裝置看起來象是個邪惡的生化大神搞出來的惡劣玩笑。我們被告知，線粒體DNA不只是被放在焚化爐里，而且還被剝奪了正常的護具——它沒有被包裹在保護性組蛋白上；它幾乎沒有能力修復氧化性傷害；而且它的基因全都緊緊擠在一起，沒有《垃圾》DNA做緩沖，任何部位的突變都很有可能引發浩劫。這樣的安排似乎沒有意義，如此恐怖的場景大可不必出現——明明大部分的線粒體基因都已被轉移到細胞核，剩下的那一小部分似乎擺錯了地方。格雷，這位領域中最具原創性、最活躍的思想家甚至提出，把剩下的線粒體基因轉移至細胞核，或許就能治療老化造成的摧殘。這點我不同意（原因我們之后就會看到）不過我很能理解他為什么會提出這樣的論點。

如此愚蠢的系統為什么會演化出來？答案會因每個人對演化的觀點而有所不同。古爾德就曾抱怨，生物學界中有種他所謂的《適應主義綱領》，讓他很灰心。這個假設認為一切都是適應的結果，換句話說，萬事萬物的背后都有原因，不管乍看有多么無用，也都是由天擇打造出來的。即便是今天，生物學家也可以分成兩類，一類拒絕相信自然界有任何事是沒有目的的，另一類則相信有些事就是不在直接控制的范圍之內。《垃圾》DNA真的是垃圾嗎？還是有什么我們所不知道的目的呢？這點我們不能肯定，而且問不同人會得到不同的答案。同樣的，老化的《意義》也眾說紛紜。最廣為接受的觀點是，變老后我們生育的可能性比較低，所以會在晚年構成傷害的基因變異比較不容易被天擇淘汰。而線粒體DNA上的突變是晚年才會累積起來，因此天擇無法提出有效的機制移除它們。只有在預期壽命變長時，篩選才能在這段延伸的時光中發揮作用。例如某些動物，被隔絕在沒有天敵的島上；或是像鳥類，可以飛離原地；或像人類，有大容量的腦和社會結構可以利用。如果我們同意這項觀點，那么，上述的徹底愚行（將防護措施不全的線粒體基因存放在焚化爐）就是這樣的狀況，是演化歷史上的一宗意外。

這項虛無主義的見解正確嗎？我不這么認為。問題在于它的推理一板一眼，太化學了，沒有考慮到生物學的機動變化特性。稍后我們將看到其中的差別。盡管如此，這仍是個大膽的理論，它還有個優點：它做出了幾項明確而且可驗證的預測。我們將會深入探討其中的兩項。第一，這個理論預測線粒體突變的侵蝕性足以造成老化的整條悲慘軌跡。我們將會發現這可能是真的。但第二項預測很有可能是錯的，至少它原本提出的那套恐怖觀念——也就是線粒體突變會隨年齡累積的部分是錯的。如果突變會累積，最終應該會導致一場《誤差災變》。而沒有什么有力的證據能證明這樣的情況會發生。且讓我們來看看箇中奧秘。

線粒體疾病

第一宗線粒體疾病的報告出現在一九五九年，比線粒體DNA的發現略早幾年。病患是一名二十七歲的瑞士女性，她的代謝率是人類有記錄以來最高的，但她荷爾蒙分泌完全正常。原本問題是出在她的線粒體控制有缺失，就算不需要ATP，她的線粒體也以全速進行呼吸作用。因此，她吃個不停卻總是很瘦，就算在冬天也是滿身大汗。遺憾的是，她的醫生對此束手無策，十年后她便自殺身亡了。

接下來的二十年間陸續有病患被診斷為罹患線粒體疾病，診斷的依據通常是臨床記錄以及各種專門檢驗。比方說，在很多線粒體功能不正常的病例中，即使在靜止不動的狀態，病患的血流中也會有乳酸堆積（無氧呼吸的一種產物）。肌肉的活體組織切片往往會顯示有些肌纖維嚴重受損（通常不是全部），它們在病理組織切片中會被染成紅色，被稱為《破碎紅纖維》。生化檢驗會發現這些纖維缺乏呼吸鏈的最后一個酶，也就是細胞色素氧化酶，這使得它們無法行呼吸作用。

從臨床角度來看，這些報告只不過是零星的科學軼聞。不過在一九八一年之后，整個風向開始轉變。那里，兩度獲頒諾貝爾獎的桑格，與他的劍橋團隊發表了人類線粒體基因體的完整序列。經過八零和九零年代，定序技術有了長足進步，我們已經可以靠著線粒體基因的定序，對許多疑似患有線粒體疾病的病人進行診斷。結果相當驚人，它不只顯示出線粒體疾病多么普遍（每五千個新生兒中就有一人患有線粒體疾病），也顯示了它們有多么古怪。線粒體疾病藐視正常的遺傳學法則。它們的遺傳模式異乎尋常，通常不遵守孟德爾遺傳定律。不同病患發病的時間可能相差數十年，在某些《理應》遺傳到病癥的個體身上，這種疾病偶爾甚至會完全消失。普遍而言，線粒體疾病會隨著年齡增長愈演愈烈，若說某種疾病在二十歲時會造成患者些微的不便 ，在四十歲可能會使他大傷元氣。除此之外，幾乎歸納不出共通點。攜帶同種突變的不同個體，受侵襲的組織也可能大不相同，然而不同的突變卻很有可能會侵襲同樣的組織。如果你想保持神智清楚，就不要去讀線粒體疾病的教科書。

雖然要分類線粒體疾病非常困難，但還是有些一般原則有助于提綱挈領地解釋事情背后的推力。同樣的原則也和老化息息相關。請回憶一下第六章，線粒體通常遺傳自母親，盡管如此，卵細胞內的線粒體DNA變異性還是高得驚人。我們曾看到，一位具有生育能力的一般女性，其同個卵巢內就有半數的卵細胞有某種程度的異質性（遺傳上互不相同的線粒體混雜在一起）。如果這些變異對線粒體的性能影響不大，在胚胎發育的過程中便不會被移除。

不過為何缺陷可以不影響胚胎的發育呢？可能性有很多。其中一種可能是繼承到的缺陷線粒體數目不多。所有的線粒體疾病都是異質性的，也就是說病患同時有正常和不正常的線粒體。如果卵所承襲的十萬個線粒體中，只有百分之十五不正常，那么它們的缺點或許可以靠其他多數的健康線粒體遮掩。還有一種可能是，突變的傷害性比較小（不過含突變的線粒體所占的比例較大，或許可達百分之六十）。在這樣的情形下，雖然有大量的突變，胚胎還是可以正常發育。此外還有分配的問題。當一顆細胞發生分裂，其線粒體會隨機地被分配到兩個子細胞內。一個細胞有可能會繼承所有的突變線粒體，同時另一個細胞內全都是正常的本，其他任何比較不極端的組合方式也都有可能。在發育期間的胚胎內，各個細胞因未來所處的組織不同，對線粒體提出的代謝需求也各自不同。如果一個細胞將來會發育成壽命長，代謝旺盛的組織（象是肌肉、心臟，或是腦），而它剛好遺傳到大量有缺陷的線粒體，可能會導致全盤皆輸；但如果有缺失的線粒體落腳在壽命短，或代謝比較不活躍的細胞中（例如表皮細胞或是白血球），那么胚胎還是很有可能正常發育。因為門檻的不同，所以較嚴重的線粒體疾病影響的都是壽命長、耗能高的組織，特別是肌肉和腦部。

老化也有類似的狀況。在我們身上，有缺陷的線粒體并非全部承襲自卵細胞，有些是在成年后才累積起來的，罪魁禍首是正常代謝所產生的自由基。受影響的細胞內產生了混雜的線粒體族群。而接下來會發生什么事呢？這會依細胞的種類而有所不同。細胞如果是成體干細胞（負責更新組織），結果可能會是帶有同樣缺陷的線粒體大幅復制擴張。這樣的現象會發生在某些肌纖維上，產生線粒體疾病特有的《破碎紅纖維》，不過這同時也是《正常》的老化現象。相反的，如果突變影響的是不再分裂的長命細胞，象是心肌細胞或是神經元，那么突變就會困在單一細胞內，不會擴散。因此我們會預期在每個細胞里看到不同的突變，不同效能的線粒體混雜在一起，形成某種鑲嵌的樣貌。

線粒體疾病的另一個層面也和正常老化有關——它們有隨著年齡發展的趨勢（愈來愈令人衰弱）。其中的原因關系到組織及器官的代謝效能。之前有看到，每種器官發揮正常效能要求的性能門檻不同。而只有在器官的效能下滑到低于自己的門檻時，癥狀才會發作。打個比方，就像我們如果完全失去一邊的腎臟可能還可以正常活動，但要是第二顆腎臟也開始衰竭，除非接受洗腎或器官移植，否則我們就會死亡。身體的所有工作都需要能量，因此一個器官的門檻就取決于其代謝需求。如果線粒體疾病侵襲的剛好是代謝需求比較低的組織，例如皮膚，影響會比較輕微，但如果受影響的肌肉那樣活躍的細胞，就會比較嚴重。類似的過程也發生在細胞老化的組織中。一個青春年華的肌肉細胞，里頭有百分之八十五的線粒體都是《正常》的，在年輕的風貌中，它所背負的一切能量需求它都應付得來；但當它內部的線粒體隨著年齡減少，余下的線粒體所背負的能量需求便增加了。我們愈來愈逼近代謝門檻。因此，隨著我們愈來愈老，突變族群造成的損傷就愈來愈無法濫竽充數。

不過，線粒體突變的破壞性是否嚴重到足以引發老化的整條悲慘軌跡呢？有些突變確實可以。有種極端駭人的疾病，會讓一些外觀正常的嬰兒在出生后旋即喪失線粒體DNA，迅速地導致肝臟和腎臟的衰竭。這種疾病嚴重的時候，損失的線粒體DNA會高達百分之九十五，受難的小嬰兒在數周或數個月之內就會死亡，盡管他們在出生的時候看起來很正常。其他更常見的疾病包括凱塞癥候群和皮爾森氏癥候群，它們會在稍晚的時期造成嚴重的殘疾，并導致早夭。其典型癥狀類似于代謝毒素（如氰化物）引起的慢性中毒，包括運動失調（運作失去協調性）、癲癇、運作障礙、失明、失聰、類似中風的癥狀，以及肌肉退化。有種線粒體突變牽涉到的狀況甚至類似X癥候群——一群結合了高血壓，糖尿病，以及高膽固醇和高三酸甘油脂的恐怖癥候群，據聞有四千七百萬名美國人患有此疾。顯然，線粒體基因上的突變有可能造成非常嚴重的結果，這樣的破壞力想必足以導致老化。但其他的線粒體疾病遠遠沒有這么嚴重，而問題就出在這里。

線粒體疾病的嚴重程度，除了要看出現突變的線粒體以及組織占多少比例，還會取決于突變的類型，也就是要看基因是哪一個部分受到了影響。如果突變襲擊的是編寫特定蛋白質的某個基因，那它可能會造成毀滅性的結果，但也可能不會；實際上，它還有可能會帶來好處。另一方面，如果突變影響的是編寫RNA的基因，后果通常會很嚴重。這樣的突變，依照RNA種類的不同，可能會造成所有線粒體蛋白質，或是所有包含某一胺基酸的蛋白質，在合成上發生改變。控制區的突變也可能會導致嚴重的后果，因為，線粒體在因應需求變化而進行復制或合成蛋白質時的整個動態，都可能會因此而改變。

突變也有可能發生在那些表現線粒體蛋白質的核基因上，并且也會造成類似的影響。如果細胞核內的突變影響的是某個線粒體轉錄因子，其功能是控制線粒體蛋白質的合成，那么理論上，它的效應會遍及全身的所有線粒體。但是，有些線粒體轉錄因子似乎只有在特定的組織才會有活性，或是對特定的荷爾蒙有反應。發生在這些基因上的突變往往就會造成組織特異性的影響。

總而言之，這些考量可以解釋線粒體疾病的極度多相性。一個突變影響的可能是一種蛋白質，或是包含某種氨基酸的所有蛋白質，或是一口氣影響線粒體的所有蛋白質，或是需求改變時的蛋白質合成速率。突變可能具有組織特異性，也可能一視同仁地侵襲整個身體。如果突變發生在細胞核基因，它們會依傳統的孟德爾模式遺傳；如果發生在線粒體基因上，就只會從母親身上遺傳。如果是后者，其效應取決于突變線粒體所占的比例，還有胚胎發育期間它們在細胞分裂時的分配方式，以及所屬器官的代謝門檻。

列舉了上述這種程度的多相性，我們會發現，那異常寬廣的疾病光譜存在著一個問題。雖然每個人往往會死于不同組合的退化性疾病，但所有人老化的基本過程卻都大致相同。這樣的基本相似性怎么會出現在我們身上？不只在人跟人之間，還出現在其他老化速率完全不相同的動物身上。如果線粒體突變會在老化過程中隨機地累積，那為什么大家不會以截然不同的方式和速度變老，就像線粒體疾病那樣，隨機又多樣？答案我們可以想象，或許是因為只有某類突變可以累積下來。但這又直接導致了第二個問題：會累積的突變，其強度和種類似乎不足以引起老化。所以究竟是發生了什么事呢？

老化的線粒體突變矛盾

研究老化的基因突變，已被證明是件令人沮喪的工作。有個頗被看好的理論，主張累積了一輩子的核基因突變，便是老化背后的罪魁禍首。雖然核基因對老化有所貢獻這點毫無爭議（特別是對癌癥這類的疾病而言），但壽命長短和細胞核突變的累積完全沒有關系，因此這不可能是老化的根本原因。

關于老化的演化，大家普遍接受的理論是由霍爾登和梅達沃率先提出的。它是突變這項主題的變奏：如果突變不是一輩子累積下來的，那或許是好幾輩子累積下來的。天擇沒有能力移除那些在生命后期才會出現負面影響的基因。亨丁頓舞蹈癥便是個經典的例子，它在性成熟之后很久才會發作，因此基因可以在這之前傳給子代，如此天擇便無法將它淘汰。亨丁頓舞蹈癥是特別可怕的一種情形，而在此同時，還有多少基因也是在生命后期才會出現影響的呢？霍爾登認為，老化就象是個搜集遲發性基因突變的垃圾桶，它們無法被天擇淘汰，因此一代傳一代，便累積了成千上百個這樣的突變。這個想法必定是有幾分真實性的，但我認為，它仍舊不符合我們在自然界所觀察到的狀況：老化是有可塑性的。將近二十年的遺傳研究顯示，在關鍵的基因上，單單一個點突變就可以戲劇性地延長壽命，就連在哺乳類身上也是這樣。如果老化真的是被寫進了數百或數千個基因的實體序列里，上述的狀況就一定不可能發生。就算有某個關鍵的基因控制著其他眾多基因的活性，這些附屬的基因依舊是突變過的——出問題的是它們的序列，不是它們的活性。如果要修正這些序列，得要產生數千個突變，而且它們還必須發生在正確的基因上，才開始會對壽命長短產生影響，而這一定至少得花上好幾代。事實上，不論出于什么原因，壽命長短是受到管制的，放眼整個動物界都是如此，而其控制的嚴密程度令人吃驚。

線粒體的突變也有自己的故事，而這個故事同樣很難和現實達成和解。不過乍看之下，線粒體基因似乎比較有機會將老化和疾病解釋清楚。這有兩個原因。第一，正如我們在上一節所見，線粒體突變在世代之間累積的速率遠比細胞核來得快。因此，線粒體突變比較有可能在單單一輩子的時間內累積起來，所以理論上可能會比較符合老化的衰退速率。第二，這些突變確實有能力侵蝕生命；它們絕對不是次要的小配角。線粒體疾病已經強調了這些突變可能會有多大的毀滅性。

所以線粒體突變的累積速度到底有多快呢？這點很難肯定，因為世代間的變化速率會受到天擇的約束。大部分線粒體基因的演化速率約是核基因的十幾二十倍，控制區的部分則可高達五十倍。因為只有不會造成毀滅性傷害的突變才會被《固定》下來（否則會被天擇淘汰），所以變化發生的速率實際上一定還要更快。一九八九年，澳洲蒙納許大學的里南以及他于日本名古屋大學的合作者，在《柳葉刀》發表了一篇論文，他們以酵母菌做為材料進行研究，試圖掌握實際發生變化的速度。酵母菌可以告訴我們很多事。任何一名釀酒師都知道，它可以不仰賴氧氣。酵母菌也可以行發酵作用，產生酒精和二氧化碳。發酵作用是在線粒體外進行的，所以酵母菌對線粒體傷害的容忍很高，就算線粒體嚴重受損，它們也可以存活。這類的損傷，最初是在四零年代發現《小型菌落》品系的酵母菌時被注意到的，這種酵母菌的成長很遲緩。原來，小菌落突變體有一大段線粒體DNA不見了，發生缺失的突變體因此無法進行呼吸作用。重點是，小菌落突變體會在細胞培養的狀況下自發性地出現，速率約是每一千個細胞會出現一個到十個，視酵母菌品系而異。相形之下，細胞核突變的發生速率慢到讓人幾乎感受不到它的存在。核基因的突變率在酵母菌或是動物之類的高等真核生物都一樣，大約每一億個細胞會出現一個突變。以酵母菌的經驗來判斷，為本突變累積的速率至少是細胞核的十萬倍。如果動物的突變率也是這么高的話，那么這絕對足以解釋老化；事實上，我們為什么不會馬上倒斃還比較難解釋呢！

于是大家開始研究線粒體突變在動物和人類組織里的累積速度。我必須說這個領域很有爭議，而共識也才剛剛開始萌芽。有一部分的問題是出在檢測突變的技術上：測序DNA所使用的技術有時會放大突變的序列，犧牲《正常》的序列，使我們很難估量DNA受損的程度。后果就是，不同實驗室得到的結果極為不同，差距幅度有時會高達一萬倍。期望找到線粒體突變的人往往會找到突變，而不相信的人總是什么都沒看到；各行各業都常發生類似的情形。我幾乎可以肯定，這不是研究人員故意捏造數據，而是因為他們的著眼點和觀察方法不同：他們雙方可能都沒有錯。

在這樣的背景之下，試圖提出明確的主張或許失之輕率，不過我還是會試試看。這幅逐漸清晰的圖像確實暗示雙方都是對的。突變線粒體的命運，似乎會依突變的位置而有所不同——取決于它們是坐落在線粒體基因體的控制區，還是在編碼區域。

如果突變發生在控制區（負責復制線粒體DNA的蛋白質因子會與之結合），它們便有可能繁盛起來，甚至可以透過復制占領整個組織。這些突變不一定會造成多大的功能缺陷。阿特帝（測序線粒體DNA的先驅）和他在加州理工學院的同事，于一九九九年時在《科學》發表了一篇開創性的論文，這篇論文指出，控制區的許多突變會累積在老人的身體組織中，超過半數的線粒體DNA上，但它們大多不會出現在年輕人的身上。我們可以接受某些種類的突變的確會隨著年齡大量累積，但我們不能肯定這些突變是否有害，因為它們沒有影響到編寫蛋白質的基因。它們當然不是全都有害。阿特帝團隊在二零零三年發表的另一篇重要論文便證明，某個控制區上的突變，反而和一個義大利族群的長壽有關。這個突變是種單一字母的變異，它在百歲以上的族群里出現的頻率是一般人口的五倍，這暗示它或許提供了某種生存優勢。

相較之下，如果突變出現在編寫功能蛋白或是RNA的區域，它們的累積含量很少會超過百分之一，遠不足以造成能量短缺。有趣的是，功能性的線粒體突變（如細胞色素氧化酶的缺陷），會在特定的細胞內復制增殖，于是突變就會占領整個細胞。這種狀況會發生在某些神經元、心肌細胞，甚至是老化肌肉的破碎紅纖維。然而，這類突變在整個組織內所占的比例也很少超過百分之一。可能的解釋有兩種。一種是，不同細胞可能會累積不同的突變，因此特定的某種突變只是諸多突變的冰山一角。另一種解釋是，大部分線粒體突變單純就是不會在老化組織里大量累積。事實的真相可能會令你大吃一驚，因為它似乎比較接近第二種解釋。許多研究已證實，老化組織內大部分的線粒體都擁有大致正常的DNA，只有控制區或許會有些許變異；此外，它們行呼吸作用的能力也幾乎完全正常。已知在線粒體疾病的案例中，突變線粒體的數目要高達百分之六十才會減弱細胞的效能，那么區區百分之幾的突變負擔，似乎不足以解釋老化，至少就原始線粒體理論的教條來看是不夠的。

所以這到底是怎么一回事？我發覺我在問一個蠢問題：我們知酵母菌真的相差那么多嗎？我懷疑會有多少讀者因為這個問題而夜不成眠。然而這的確值得深思！酵母菌的線粒體突變累積得很快，我們的則是大部分的區域都不會。從能量的角度來看，我們的運作方式和酵母菌相差無幾，唯一的差別是我們仰賴我們的線粒體，酵母菌則否。此間的差別或許泄漏了天機——答案就是必要性。姑且說，我們會在控制區的區域累積突變，單純是因為它們不會構成大問題：它們對功能的影響不大，而大部分的功能性突變不會累積是因為它們會造成問題。這聽起來很合理，不過這就暗示了組織內會進行某種篩選，挑出最好的線粒體（即使是由長命的細胞所構成的組織，例如心臟和腦）。因此，我們眼前有兩種可能性。要不是線粒體老化理論完全錯誤，就是線粒體的突變率確實和酵母菌相似，只不過組織內的篩選會移除突變體，留下最好的線粒體。如果是這樣，那么線粒體的功能一定遠比原始線粒體老化理論的設定更為靈活。哪個才是正確的呢？

2024-07-06 16:41:49