综述：线粒体DNA甲基化的分子机制与疾病关联研究

这篇综述系统阐述了线粒体DNA（mtDNA）甲基化（5mC/5hmC/6mA）的表观遗传调控机制及其在神经退行性疾病（PD/AD）、心血管疾病（ACS/MI）、代谢紊乱（MASLD）和癌症中的关键作用，揭示了其作为新型生物标志物和治疗靶点的潜力，为线粒体医学研究提供了前沿视角。

　　

线粒体DNA甲基化：分子机制与疾病关联的新视角

背景

线粒体DNA（mtDNA）作为独立于核基因组的环状DNA分子，编码13个氧化磷酸化（OXPHOS）复合体关键亚基。近年研究发现，mtDNA存在5-甲基胞嘧啶（5mC）、5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）和N⁶-甲基腺苷（6mA）等表观遗传修饰，通过调控复制转录参与疾病发生。

甲基化模式与分子机制

5mC与5hmC：

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  DNMT1/DNMT3A通过线粒体靶向序列（MTS）定位线粒体，催化CpG/CpH位点甲基化

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  人脑组织中发现性别/年龄特异性甲基化模式，如MT-ND5末端（13,801-14,144bp）高甲基化

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  TET2介导的5hmC在缺血再灌注（I/R）损伤中升高，抑制ATP合成

6mA动态调控：

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  METTL4在缺氧条件下经HIF-1α激活，催化启动子区6mA修饰

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  C.elegans中DAMT-1/NMAD-1平衡失调导致衰老相关6mA积累

疾病关联机制

神经退行性疾病：

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  PD患者黑质区D-loop低甲基化引发mtDNA过度复制

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  Hcy通过上调METTL4促进神经元mtDNA 6mA修饰，导致线粒体膜电位崩溃

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  AD患者CYTB/COX2高甲基化与Aβ清除障碍相关

心血管疾病：

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  动脉粥样硬化中VSMCs的DNMT1易位引发D-loop（16,031-604bp）高甲基化，抑制ND4转录

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  巨噬细胞METTL4介导的MT-ATP6 6mA修饰触发NLRP3炎症小体活化

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  心衰模型显示p53-METTL4轴通过抑制TFAM结合损害电子传递链（ETC）功能

代谢与癌症：

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  MASLD肝细胞ND6区GpC高甲基化（22.76%）引发胆汁酸代谢紊乱

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  乳腺癌中mtDNA甲基化通过GDF15-TGFBR2轴诱导CD8⁺T细胞耗竭

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  肾癌骨转移灶DNMT1异常积累导致D-loop超甲基化（较原发灶高3倍）

检测技术进展

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  纳米孔测序实现单分子分辨率检测，平均覆盖深度达830×

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  TAPS技术通过5caC→DHU转化避免亚硫酸氢盐损伤

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  WGBS需配合NUMTs过滤策略（如rCRS特异性比对）

挑战与展望

当前争议集中于NUMTs干扰和超螺旋结构导致的假阳性问题。未来需开发线粒体特异性表观遗传编辑工具，并探索核-线粒体表观串扰机制。靶向METTL4的小分子（如培美曲塞衍生物）和DNMT抑制剂（5-氮杂胞苷）为转化医学提供新思路。