同型半胱氨酸通过表观修饰 “精准打击” 神经元线粒体

高同型半胱氨酸血症(HHcy)是认知障碍的重要危险因素，但它如何损伤神经细胞?北京基础医学研究所张世杰、钱令嘉团队与安徽医科大学合作，于《Biochemical Pharmacology》发表的名为“Reversal of homocysteine-induced neurotoxicity in rat hippocampal neurons by astaxanthin: evidences for mitochondrial dysfunction and signaling crosstalk“的研究，同型半胱氨酸(Hcy)可通过改变线粒体 DNA 的表观修饰(N⁶- 甲基脱氧腺苷，6mA)，选择性破坏原代神经元的线粒体功能，而对 PC12 细胞的影响却大相径庭。这一发现为揭示 HHcy 相关神经退行性疾病的机制提供了新视角，也为精准干预指明了方向。

本研究探讨了 Hcy 对大鼠海马原代神经元和 PC12 细胞线粒体功能的影响及机制。结果显示，Hcy 可通过激活线粒体甲基转移酶 METTL4，促进线粒体 DNA(mtDNA)的 6mA 修饰，抑制 mtDNA 转录，导致原代神经元线粒体功能紊乱(ATP 生成减少、膜电位降低、结构损伤)。而 PC12 细胞在短时间 Hcy 处理下，线粒体功能反而出现代偿性增强，长期处理才表现出损伤。该研究揭示了 mtDNA 6mA 修饰差异是 Hcy 诱导线粒体损伤的关键机制，为 HHcy 相关疾病的靶向预防提供了理论依据。

研究背景

同型半胱氨酸(Hcy)作为蛋氨酸代谢中间产物，其水平升高与心血管疾病、神经退行性疾病密切相关，可通过改变细胞内甲基供体(SAM/SAH)比例影响表观修饰。线粒体作为细胞能量工厂，其功能依赖于电子传递链(ETC)复合物的正常运转，而 Hcy 已被证实可损伤线粒体呼吸链活性并诱导氧化应激。值得关注的是，线粒体 DNA(mtDNA)的 N⁶- 甲基脱氧腺苷(6mA)修饰可由甲基转移酶 METTL4 介导，进而抑制 mtDNA 转录，而 Hcy 作为甲基代谢中间产物，是否通过调控 6mA 修饰影响线粒体功能，仍是未解之谜。

实验结果

Fig.1：Hcy 对线粒体结构与功能的细胞特异性影响

研究发现，Hcy 对原代神经元和 PC12 细胞的线粒体功能影响呈现显著差异。在原代神经元中，24 小时和 48 小时的 Hcy 处理均导致线粒体膜电位(MMP)和 ATP 含量下降，其中 48 小时时差异显著(MMP：t₄=3.424，P=0.0267;ATP：t₄=3.582，P=0.0231)，电镜观察显示线粒体出现肿胀、膜破裂、基质溶解及嵴结构消失等损伤特征。而 PC12 细胞在 24 小时 Hcy 处理后，MMP 和 ATP 水平反而显著升高(MMP：t₄=3.949，P=0.0168;ATP：t₄=3.153，P=0.0344)，48 小时后恢复正常，且线粒体结构未出现明显异常。这表明原代神经元对 Hcy 诱导的线粒体损伤更为敏感，而 PC12 细胞在短时间内可能存在代偿机制。

Fig.2：Hcy 对 mtDNA 拷贝数及基因表达的双向调控

mtDNA 拷贝数和基因表达的检测结果显示，原代神经元经 48 小时 Hcy 处理后，mtDNA 拷贝数显著减少(t₄=3.989，P=0.0163)，多个 mtDNA 编码基因(如 ND1、ND2、COXI 等)的 mRNA 和蛋白表达水平均下调，其中 24 小时时 ND5 和 ND4L 的 mRNA 表达已出现显著下降。与之相反，PC12 细胞在 24 小时 Hcy 处理后，mtDNA 拷贝数增加(t₄=3.348，P=0.0286)，ND1、ND6、ATP8 和 COXIII 等基因的 mRNA 表达上调，但 48 小时后 mtDNA 拷贝数下降，基因表达无显著差异。蛋白水平分析也显示，原代神经元中 ND1、COXI 等蛋白表达随 Hcy 处理时间延长而降低，而 PC12 细胞在 24 小时时部分蛋白表达升高，48 小时后恢复。

Fig.3：mtDNA 6mA 修饰是细胞差异反应的关键

在表观修饰机制方面，原代神经元经 Hcy 处理后，线粒体甲基转移酶 METTL4 的表达显著上调(24 小时：t₄=3.268，P=0.0309;48 小时：t₄=4.273，P=0.0129)，而去甲基酶 ALKBH1 的表达下调，导致 mtDNA 的 6mA 修饰水平整体升高。PC12 细胞的 METTL4 表达在 24 小时时降低，48 小时后回升，ALKBH1 表达无明显变化，mtDNA 的 6mA 修饰水平呈先降后升趋势但无显著差异。这表明 Hcy 可通过调控 METTL4 介导的 mtDNA 6mA 修饰，影响不同细胞的线粒体功能 —— 原代神经元中 6mA 修饰的升高抑制了 mtDNA 转录，而 PC12 细胞的表观调控差异使其在短期 Hcy 处理下未出现明显修饰异常。

研究结论

本研究证实，同型半胱氨酸(Hcy)对线粒体的损伤具有显著的细胞类型依赖性：原代神经元因 Hcy 激活线粒体甲基转移酶 METTL4，促进 mtDNA 的 6mA 修饰，抑制 mtDNA 转录及基因表达，导致线粒体功能紊乱(ATP 生成减少、膜电位降低、结构损伤);而 PC12 细胞在短期 Hcy 处理下可通过代偿机制增强线粒体功能，长期处理才表现出损伤。这一差异揭示了 mtDNA 6mA 修饰是 Hcy 诱导线粒体损伤的关键节点，也为临床通过监测 mtDNA 表观修饰诊断高同型半胱氨酸血症相关疾病，以及靶向 METTL4 开发干预策略提供了理论依据