研究新知
腦粒線體DNA的甲基化程度增加，與年齡增長及非法藥物使用有關
2022／7／11 陳為堅特聘研究員
有細胞發電廠之稱的粒線體，不但擁有自己的DNA，它們的基因表現也會受甲基化(methylation)的調控。最新研究指出，在男性死者大腦的兩個不同腦區，前額葉皮質(prefrontal cortex)與伏核(nucleus accumbens)，粒線體DNA的甲基化程度就有所不同。這兩個腦區之粒線體DNA甲基化位點之總合甲基化程度愈高，顯示生物年齡較大；而非法藥物的使用，則會加速這兩個腦區的年齡增加(或說老化程度)。這些發現是由陳為堅特聘研究員/教授所領導的臺大醫學校區與國家衛生研究院之研究團隊最新的研究成果，剛於今年6月25日在Clinical Epigenetics線上刊登。
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圖: 大腦前額葉皮質與伏核兩個腦區之粒線體的表觀遺傳學時鐘(epigenetic clock)
DNA甲基化是指在基因序列的胞嘧啶(cytosine)上進行甲基化修飾，如此可以在不改變DNA序列而能調控所在位置上的基因之表現。粒線體是供給細胞能量的主要胞器，也是甲基化修飾作用中，甲基基團的提供者，更是細胞自戕作用(apoptosis)的主要參與胞器。根據本文的第一作者黃嘉宏，現為臺大公衛學院流行病學與預防醫學研究所博士班學生，「對於大腦這種需要消耗大量能量執行複雜工作的器官而言，粒線體本身的DNA甲基化應該佔有舉足輕重的角色」。「但是，」他進一步表示，「之前的研究多數圍繞著細胞核中的基因體進行，並專注於CpG (胞嘧啶之後緊接鳥糞嘌呤)上的甲基化程度，反而很少研究大腦細胞質中的粒線體基因體。」
「實務上，要檢測粒線體DNA的甲基化程度並不容易，」陳為堅，通訊作者，解釋這當中的困難，「一方面粒線體DNA的整體甲基化程度較細胞核DNA來得低，另一方面粒線體的環狀基因體造成DNA甲基化程度容易被高估。」此外，「更麻煩的是，細胞核基因體中含有與粒線體相似的序列，被稱為nuclear mitochondrial DNA，簡稱為NUMTs，可能在序列分析時造成干擾。」
為了填補現有文獻的不足，研究團隊收集了多位男性的腦組織。這些男性可分為有使用毒品者(n=14，測出之毒品包括海洛因、甲基安非他命、甲基卡西酮、搖頭丸或愷他命)及未使用毒品者(n=39，對照組)兩組。研究對象的腦組織則包含前額葉皮質(prefrontal cortex，PFC)與伏核(nucleus accumbens，NAcc)兩個腦區，它們分別掌管認知功能與成癮機制。甲基化程度的測量則採用全粒線體亞硫酸鹽定序(whole mitochondrial genome bisulfite sequencing)，探討這兩個腦區粒線體DNA的甲基化程度。這項實驗設計有幾個優勢。首先，不須透過其他組織間接推測大腦粒線體DNA的甲基化情形，而是直接分析腦組織的粒線體DNA甲基化程度；其次，採用定序方式可以同時分析CpG與non-CpG (鹼基序列cytosine，其後緊接guanine以外的鹼基)的甲基化程度；再來，目前文獻上尚無非法藥物使用對全粒線體DNA甲基化程度的影響分析。
本篇研究的主要結果，可歸納成四點。第一，研究團隊先確認粒線體DNA甲基化程度。相較於細胞核DNA甲基化(約80%)，在前額葉皮質及伏核中，粒線體DNA甲基化程度約為2%，明顯較低。此外，CpG與non-CpG這兩類位點的甲基化程度相近。另在粒線體基因體H-strand的定序結果，較L-strand的結果佳。這些結果均符合過去研究對粒線體DNA甲基化的描述。
第二，研究團隊比較不同腦區的粒線體DNA甲基化程度。在對照組中，可發現多個胞嘧啶位點甲基化程度在兩個腦區之間有潛在的差異。若將這些位點進行權重後加總作為「腦區指標(brain area index, BA_index)」，可發現BA_index分數在兩個腦區之間有顯著差異。但在毒品使用組中，因為伏核的BA_index分數上升而接近前額葉皮質的分數，使得兩個腦區之間的差異縮小至無法分辨。這些粒線體中的研究結果可以跟細胞核中的基因體研究結果相呼應：在細胞核基因體中，不同腦區間的甲基化差異與精神疾病相關基因的調控有關；而在粒線體基因體中，不同腦區間的甲基化差異位點受精神活性物質影響，也可能代表不同腦區間的功能差異。
第三，是評估粒線體甲基化程度與年齡之間的關聯性。同樣地，在對照組中多個胞嘧啶位點甲基化程度與年齡之間有潛在的相關性。若將這些位點進行權重後加總作為「年齡指標(Age_index)」，發現Age_index的數值與實際年齡有顯著關聯性(R2 > 0.34)，可以換算出粒線體表觀遺傳學的生物年齡(epigenetic age)。在甲基安非他命或愷他命使用者中，生物年齡普遍高於實際年齡，其中愷他命使用者的生物年齡與實際年齡差距更大 (差距的中位數可達13年以上)，顯示毒品使用者的提早老化現象。甲基安非他命對於生物年齡的影響，同樣可見於細胞核染色體的研究，但是愷他命的影響則尚未被報導過。由於愷他命是亞洲國家常見的濫用藥物之一，此項發現具有實務上的重要性。
第四，研究團隊發現多個胞嘧啶位點的甲基化程度可能受毒品所影響。若將這些位點進行權重後加總作為「藥物濫用指標(drug abuse index, DA_index)」，可發現毒品使用者的DA_index分數較非毒品使用者顯著增高。如果利用曲線下面積(area under the ROC curve)來評估DA_index分數高低的整體區別效能，在伏核可達0.88，前額葉皮質達0.94，而兩個腦區的陽性預測值均可達100%。
綜觀這三項有關甲基化程度的指標，因目的不同而致納入的胞嘧啶位點只有少部分重複。有趣的是，這些重複的胞嘧啶位點多與BA_index有關。這可能顯示老化或毒品對不同腦區有不同的影響。此外，粒線體CpG與non-CpG的甲基化程度對各項指標的貢獻相近，都有其重要性，若只看CpG的甲基化程度，可能會錯失non-CpG的甲基化所提供的資訊而降低指標敏感度，反之亦然。
經過這一系列的分析，研究團隊發現粒線體基因體在不同腦區有不同甲基化模式，而且甲基化的程度也受年齡及使用毒品所影響。雖然這是一個小樣本的研究，但已展現了粒線體在表觀遺傳學研究中的重要性，也希望能有更多研究可以補充粒線體在女性或是其他人種中的DNA甲基化情形。
全文出處:
2022-7-11
