线粒体DNA异质性通过核DNA甲基化调控衰老与心血管疾病风险的表观基因组关联研究

《Nature Communications》：Epigenome-wide association study of nuclear DNA methylation in relation to mitochondrial heteroplasmy

本研究针对线粒体DNA(mtDNA)异质性与核DNA(nDNA)甲基化的关联机制展开深入探索。研究人员通过对10,986名参与者进行表观基因组关联分析(EWAS)，发现597个CpG位点与mtDNA异质性显著相关，这些位点主要富集于基因调控的动态区域。通过HEK293T细胞实验验证了mtDNA突变与核CpG甲基化的直接关联，并构建的CpG评分可预测全因死亡和心血管疾病风险。该研究揭示了mtDNA-nDNA表观遗传对话在衰老相关疾病中的重要作用，为理解线粒体-核基因组交互提供了新视角。

　　

在细胞这个微小的宇宙中，线粒体作为能量工厂扮演着至关重要的角色。每个细胞中都存在着成百上千个线粒体DNA(mtDNA)拷贝，这些基因组在个体内可能存在变异，即所谓的"异质性"现象。随着岁月流逝，这些线粒体DNA的变异会逐渐积累，如同细胞内的"基因马赛克"越来越复杂。然而，这些变异如何影响我们的健康，特别是与衰老相关疾病的关系，一直是科学家们探索的谜题。

近日发表在《Nature Communications》上的研究为我们揭开了这一谜题的重要一角。研究人员提出了一个大胆的假设：线粒体DNA的异质性可能通过影响核DNA的甲基化状态，从而在衰老和疾病过程中发挥关键作用。为了验证这一假设，研究团队展开了一项规模空前的表观基因组关联分析。

这项研究汇集了来自7个美国大型队列的10,986名参与者，平均年龄77岁，其中63%为女性，54%为非白人群体，形成了一个具有广泛代表性的研究样本。通过全基因组测序和DNA甲基化分析，研究人员系统性地探讨了线粒体DNA异质性与核基因组表观遗传修饰之间的内在联系。

主要技术方法包括：使用Illumina 450K和EPIC甲基化芯片进行全表观基因组扫描；通过全基因组测序识别mtDNA异质性位点；采用MToolBox和mitoHPC流程进行异质性检测；利用线性回归和混合效应模型进行关联分析；通过随机效应模型进行meta分析；使用HEK293T细胞系进行功能验证实验；应用弹性网络Cox回归构建CpG评分。

研究结果

参与者特征

研究纳入了10,986名来自ARIC、CARDIA、FHS、GENOA、JHS、MESA和WHI等七大队列的参与者。这些队列在年龄、性别、种族构成上具有多样性，为研究结果的普适性提供了坚实基础。所有参与者均接受了全基因组测序和DNA甲基化检测，确保了数据的质量和可比性。

异质性相关CpG位点的鉴定

通过严格的质控和统计分析，研究团队成功鉴定了597个与线粒体DNA异质性显著相关的CpG位点（错误发现率FDR p < 0.05）。其中，479个位点与线粒体局部约束评分总和(MSS)相关，166个位点与线粒体异质性计数(MHC)相关。值得注意的是，94%的显著关联显示负相关，表明较高的异质性负荷通常对应较低的核DNA甲基化水平。

异质性相关CpG的转录组学意义

为了探究DNA甲基化的下游效应，研究人员从Framingham心脏研究（FHS）的eQTM数据库中检索了与已鉴定CpG位点相关的基因转录本。结果显示，95个异质性相关的CpG位点与146个顺式基因的表达存在显著关联（p < 10^-7）。其中，43个CpG位点与其所在基因的表达水平显著相关，表明这些位点的甲基化可能影响相应基因的表达。

异质性相关CpG位点的基因组背景富集分析

通过基因组背景分析发现，这些异质性相关的CpG位点在CpG岛中显著缺失（0.42倍，p = 5.2 × 10^-21），但在CpG岛邻近的shore区域显著富集（北岸：1.96倍，p = 1.6 × 10^-19；南岸：1.83倍，p = 9.4 × 10^-12）。同时，在DNase I超敏感位点区域也观察到显著缺失（0.32倍，p = 4.1 × 10^-6）。

基因集富集分析

对370个与CpG位点注释的基因进行DAVID富集分析发现，这些基因在代谢性疾病（FDR p = 0.014）、癌症（FDR p = 0.017）和化学依赖（FDR p = 0.003）等方面显著富集。基因本体分析确定了与信号传导（如GO:0023051，FDR p = 4 × 10^-9）和神经发育（如GO:0048856，FDR p = 5.8 × 10^-7）相关的通路。

参与线粒体组装和功能的基因

通过功能注释，研究人员确定了27个已知或预测参与线粒体过程的基因。其中12个编码的蛋白质是MitoCarta3.0中列出的1,136个哺乳动物线粒体蛋白质组的一部分，相对于20,000个基因的背景，代表了低于预期数量的线粒体基因。

COX3突变体中核CpG甲基化与VAF相关性的功能验证

研究人员选择了5个CpG位点进行功能验证，通过在HEK293T细胞中引入MT-COX3基因的mt.9979无义突变。结果显示，随着突变等位基因分数(VAF)的增加，CpG位点cg04569152的甲基化水平显著上升（p = 0.003），这为mtDNA变异直接影响核表观遗传状态提供了实验证据。

通过EWAS Catalog将异质性相关CpG与人类特征联系起来

通过查询MRC-IEU EWAS Catalog，研究人员确定了54个CpG-特征关联，涉及52个独特的CpG位点与5个特征相关，包括每日酒精摄入量、体重指数、C反应蛋白、教育程度和吸烟相关特征。

通过mQTL和GWAS Catalog将异质性相关CpG与人类特征联系起来

在FHS mQTL数据库中，505个异质性相关的CpG位点与至少一个SNP相关（p < 5 × 10^-8）。其中374个CpG位点与GWAS Catalog中的特征或疾病相关，涉及血压、血脂水平、体重指数、2型糖尿病和吸烟行为等心血管疾病风险因素。

通过MR分析将异质性相关CpG与人类特征联系起来

孟德尔随机化分析揭示了特定CpG位点甲基化与心血管疾病风险因素之间的潜在因果关系。例如，cg15233611（位于SETD1B基因内）与高密度脂蛋白胆固醇呈负相关，而cg03732020（位于NR1H3内）与高密度脂蛋白胆固醇呈正相关。

异质性相关CpG评分与全因死亡率的关联分析

研究人员构建了异质性相关的CpG甲基化评分，并评估了其与全因死亡率的关联。在FHS训练队列中，确定了57个与MHC相关的CpG位点。加权MHC-CpG评分每增加一个标准差，全因死亡风险增加1.61倍（95% CI：1.50-1.72）。在测试样本中，该评分与全因死亡率风险增加相关。

异质性相关CpG评分与CVD的关联分析

同样，研究人员评估了异质性相关CpG甲基化评分与心血管疾病发病率的关联。在FHS中，确定了18个与MHC相关的CpG位点用于CVD预测。加权MHC-CpG评分每增加一个标准差，CVD风险增加1.29倍（95% CI：1.23-1.36）。

研究结论与讨论

本研究通过对10,986名来自多种族背景的参与者进行分析，系统探讨了核DNA甲基化与线粒体DNA异质性之间的关联。研究发现了597个与mtDNA异质性负荷相关的独特CpG位点，其中大多数显示甲基化水平降低，表明较高的异质性负荷通常与较低的核DNA甲基化相关。

功能实验验证了mtDNA变异与核DNA甲基化之间的直接联系。在HEK293T细胞中引入单个异质性突变（mt.9979，MT-COX3）后，观察到随着突变等位基因分数的增加，特定CpG位点（cg04569152）的甲基化水平显著上升。这一发现为线粒体-核基因组交互提供了实验证据。

整合分析结果与先前支持核基因组与线粒体基因组在应对环境线索时存在交互的文献一致。许多注释到异质性相关CpG位点的基因参与线粒体生物合成、氧化还原调节和能量代谢。此外，复合CpG评分在多个验证队列中能够预测全因死亡和心血管疾病发病风险，强调了线粒体-表观遗传相互作用潜在的临床意义。

研究的横断面设计限制了因果推断，但支持几种合理的、非互斥的模型：mtDNA异质性可能影响核DNA甲基化和下游健康结局；核表观遗传调控可能影响线粒体基因组稳定性；或者两者可能受到共同外在因素（如衰老、吸烟或氧化应激）的协同调控。

总之，这项研究提供了大规模、多族群的表观基因组分析，将mtDNA异质性负荷与特定的核CpG甲基化变化联系起来。通过整合多种方法，为未来研究mtDNA异质性与核DNA甲基化在健康和疾病背景下的关系奠定了基础。虽然发现可能反映了线粒体-核相互作用的表观遗传方面，但这些关联的方向性和潜在机制仍需进一步研究阐明。