线粒体膜超极化通过磷脂重塑调控核 DNA 甲基化与基因表达：解锁细胞奥秘的新钥匙

线粒体在细胞功能中至关重要，其内膜电位（ΔΨm）的变化影响深远。研究人员以缺失 ATP5IF1（IF1）的细胞为模型，研究线粒体超极化的影响。结果发现，ΔΨm长期升高会导致核 DNA 高甲基化，调控相关基因转录，且与磷脂重塑有关。这为理解线粒体影响细胞生物学提供新视角。

　　在细胞的微观世界里，线粒体如同一个神秘的能量工厂，时刻维持着细胞的正常运转。线粒体的内膜电位（ΔΨ_m）对其功能起着关键作用，然而，人们对 ΔΨ_m下降所带来的影响研究颇多，却对线粒体超极化（即 ΔΨ_m升高）的相关效应知之甚少。在病理状态下，像肺动脉高压患者的平滑肌细胞、胶质瘤母细胞瘤和卵巢癌细胞等，都存在较高的静息 ΔΨ_m ，但它在疾病发生发展中的具体作用尚不明确。此外，细胞如何响应和适应慢性升高的 ΔΨ_m ，这一问题也亟待解决。为了揭开这些谜团，美国国立卫生研究院（NIH）下属的国家环境健康科学研究所（NIEHS）等机构的研究人员展开了深入研究。
研究人员利用缺失 ATP5IF1（IF1，ATP 合酶水解活性的天然抑制剂）的细胞作为研究慢性静息 ΔΨ_m 升高影响的模型。研究发现，长期高 ΔΨ_m 会导致核 DNA 高甲基化，进而调节线粒体、碳水化合物和脂质相关基因的转录。这种效应可通过降低 ΔΨ_m 逆转，并且在暴露于导致超极化的环境化学物质的野生型（WT）细胞中也能重现。令人惊讶的是，连接 ΔΨ_m 与表观基因组的是磷脂变化，而非氧化还原或代谢改变。此外，研究还表明，磷脂重塑是细胞对线粒体超极化的一种适应性变化。这些研究结果为深入理解线粒体如何影响表观遗传学和细胞生物学提供了全新的框架，有助于揭示环境暴露和疾病状态下细胞变化的机制，为改善健康状况和治疗相关疾病提供了潜在的靶点。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是基因编辑技术，构建缺失 IF1 的细胞模型以及过表达相关基因的细胞系；二是多种检测技术，如利用荧光染料（TMRE、TMRM 等）检测 ΔΨ_m ，采用 RNA 测序（RNA-seq）分析基因表达，运用 Illumina 850K 阵列进行核基因组甲基化分析；三是代谢组学技术，研究代谢物变化；四是荧光激活细胞分选技术，对不同 ΔΨ_m 状态的细胞进行分选研究。
下面详细介绍研究结果：

• 慢性缺失 IF1 支持增加静息 ΔΨ_m 的模型：通过对比 HEK293 IF1-KO 细胞和 WT 细胞，发现 IF1-KO 细胞的静息 ΔΨ_m 更高。进一步研究表明，IF1 在 WT 细胞中可抑制 ATP 合酶的反向旋转，而 IF1-KO 细胞中 ATP 水解活性增加，且其升高的静息 ΔΨ_m 依赖糖酵解 ATP 水解的显著贡献。
• 慢性缺失 IF1 导致强大的转录反应：RNA-seq 分析显示，IF1-KO 细胞和 WT 细胞之间存在超过 6000 个差异表达基因（DEGs），涉及多种细胞过程相关基因的表达变化。重新引入 IF1 后，部分基因表达得以逆转。此外，对线粒体功能的检测表明，IF1-KO 细胞虽有超极化状态，但线粒体功能未受明显损害，这表明细胞可能通过下调线粒体相关基因来维持 ΔΨ_m 在 “最佳” 状态。
• ΔΨ_m 慢性升高导致核 DNA 高甲基化，调节部分基因表达：研究发现 IF1-KO 细胞的核 DNA 相对于 WT 细胞显著高甲基化，且启动子甲基化与基因表达存在关联，部分差异甲基化和表达基因（DMEGs）与线粒体和磷脂代谢相关，这表明核 DNA 甲基化差异参与了对升高的静息 ΔΨ_m 的转录响应。
• 超极化的逆转使表观遗传和转录景观恢复到 WT 水平：通过药物（DNP）或基因（重新引入 IF1、异位表达 UCP4）手段降低 IF1-KO 细胞的 ΔΨ_m 后，发现细胞的基因组范围内转录起始位点（TSS）甲基化水平接近 WT 细胞，且部分基因表达也得到恢复或逆转，这有力支持了 ΔΨ_m 升高是调节表观遗传景观和部分基因转录输出的上游信号这一假设。
• ΔΨ_m 调节的 DNA 甲基化独立于代谢物或氧化还原变化：研究发现，参与核基因组甲基化的酶的水平或活性以及相关代谢物均未发生显著变化，且 IF1-KO 细胞通过降低细胞氧化还原环境适应了慢性较高的静息 ΔΨ_m ，这表明氧化还原变化并非导致核 DNA 高甲基化的原因。
• 磷脂变化将核 DNA 甲基化的影响与 ΔΨ_m 联系起来：代谢组学数据显示，WT 细胞和 IF1-KO 细胞之间的磷脂存在显著变化，尤其是 PC 和 PE。研究表明，PC/PE 比值的降低可能是核表观基因组高甲基化的基础，且过表达 PEMT 对 DNA 甲基化的影响较小，进一步证明了 PC/PE 比值在影响核表观基因组甲基化状态中的关键作用。
• 暴露于使线粒体慢性超极化的环境剂后，也观察到磷脂重塑和核 DNA 高甲基化：研究人员筛选出能增加 ΔΨ_m 的化学物质，如替米沙坦和胭脂树橙。WT 细胞长期暴露于这些物质后，ΔΨ_m 升高，PC 水平降低，核 DNA 高甲基化，重现了 IF1-KO 细胞的主要表型，进一步支持了 PC/PE 比值变化与慢性升高的 ΔΨ_m 导致的表观遗传效应之间的联系。
• 磷脂含量改变似乎是增加静息 ΔΨ_m 的标志性适应，包括在疾病中：通过对 WT 细胞基于 ΔΨ_m 进行分选和对天然缺失 IF1 的卵巢癌细胞系的研究发现，线粒体超极化的细胞中 PC 水平降低，且不影响线粒体呼吸，这表明磷脂重塑是对慢性升高的静息 ΔΨ_m 的一种适应性变化。

在讨论部分，研究人员指出，本研究明确了 ΔΨ_m 调节与核 DNA 甲基化之间的机制联系，揭示了磷脂重塑而非代谢物或氧化应激是表观遗传变化的基础。虽然 PEMT 活性受 ΔΨ_m 影响的机制尚不清楚，但研究结果为进一步研究提供了方向。此外，线粒体超极化导致磷脂重塑的原因以及这些变化如何影响特定基因座的 DNA 甲基化和转录仍有待探索。总的来说，该研究为理解线粒体超极化相关的分子和基因组适应提供了重要见解，揭示了磷脂与线粒体之间的关系，以及 ΔΨ_m 作为与表观基因组通信的信号的作用，同时也为研究环境暴露对健康的影响和治疗相关疾病提供了新的思路。