线粒体脱氧鸟苷激酶DGUOK通过调控mtDNA完整性维持黑色素干细胞稳态及毛发色素沉着的机制研究

本研究揭示了线粒体脱氧鸟苷激酶DGUOK通过维持mtDNA编码基因表达，调控活性氧(ROS)水平，从而防止黑色素干细胞(MeSCs)耗竭和毛发灰白的关键机制。研究人员通过构建Dguok基因敲除小鼠模型，结合单细胞RNA测序(scRNA-seq)和抗氧化干预实验，证实DGUOK缺陷会导致mtDNA-encoded基因表达下降、线粒体肿胀及ROS积累，最终引发MeSCs凋亡。该发现为毛发色素沉着障碍提供了新的治疗靶点，N-乙酰半胱氨酸(NAC)的干预效果更提示抗氧化疗法潜力。

　　

论文解读

毛发灰白是人类衰老的显著标志之一，其核心机制与毛囊黑色素干细胞(Melanocyte stem cells, MeSCs)的耗竭密切相关。尽管已知Wnt、Notch等信号通路参与MeSCs调控，但线粒体功能如何影响这一过程仍属未知。尤其令人困惑的是，线粒体作为细胞的能量工厂，其DNA(mtDNA)编码的13个基因直接参与氧化磷酸化，但这些基因表达异常是否会导致MeSCs衰竭尚无定论。云南大学的研究团队在《Cell Regeneration》发表的研究，首次揭示了线粒体脱氧鸟苷激酶(Deoxyguanosine kinase, DGUOK)通过调控mtDNA完整性维持MeSCs稳态的分子机制，为理解毛发色素沉着障碍提供了全新视角。

研究团队主要采用四种关键技术：1) 构建全身性和条件性Dguok敲除小鼠模型（包括DctCre-ER;Dguok^fl/fl
品系）；2) 通过透射电镜(TEM)观察线粒体超微结构；3) 单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析皮肤细胞群体差异；4) 抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)干预实验评估ROS的病理作用。

结果解析

线粒体DNA失衡导致毛发脱色
通过对比野生型(WT)与Dguok^-/-
小鼠，研究发现32周龄突变体毛发灰白比例高达70%（图1C-D）。毛发周期实验显示，Dguok缺失的表型具有累积效应：第二次生长期(anagen)毛发正常，但第三次生长期出现显著脱色（图1H-M）。条件性敲除实验进一步证实，DGUOK在黑色素细胞中的自主性功能缺失足以引发表型（图1N-R）。

MeSCs耗竭是脱色主因
令人意外的是，体外实验表明Dguok敲除的B16-F10黑色素瘤细胞反而增强黑色素生成（图2B-G），但体内模型显示第三次生长期MeSCs数量锐减（图2P-Q）。谱系追踪实验证实，Dct-CreER;tdTomato标记的MeSCs在Dguok^-/-
小鼠毛囊隆突区(bulge)几乎消失（图2U-X），说明DGUOK通过维持MeSCs库而非直接影响黑色素合成来保障毛发着色。

mtDNA-ROS-凋亡轴驱动MeSCs衰竭
Dguok缺失导致所有13个mtDNA编码基因（如Cytb、Nd1等）表达下调（图3A），伴随线粒体肿胀和嵴结构破坏（图3B-C）。scRNA-seq分析显示，突变体黑色素细胞中ROS通路活性显著升高（图3H），DHE染色证实MeSCs内ROS累积（图3I-J）。凋亡标记cleaved-Caspase3和TUNEL阳性细胞增加（图3K-M），揭示ROS过量直接引发MeSCs程序性死亡。

抗氧化治疗逆转表型
1 mg/mL NAC处理可恢复Dguok^-/-
小鼠毛发色素（图4C），同时挽救MeSCs和成熟黑色素细胞数量（图4D-I）。剂量实验表明，0.25 mg/mL NAC无效，而2.5 mg/mL与1 mg/mL效果相当（图4J-K），提示ROS清除需达到阈值。

结论与意义

该研究首次阐明DGUOK-mtDNA-ROS轴在MeSCs维持中的核心作用：DGUOK通过保障mtDNA复制所需的dNTP供应，维持呼吸链基因表达，防止ROS过度积累导致的干细胞凋亡（图4L）。这一发现不仅解释了衰老相关毛发灰白中mtDNA基因表达下降的现象（补充图S7），更提出NAC等抗氧化剂的潜在治疗价值。此外，研究揭示增殖与非增殖细胞对DGUOK缺失的差异响应，为理解组织特异性线粒体功能障碍提供了新范式。