《Human Brain Mapping》：Functional Impact Score of Mitochondrial Variants and Its Relationship With Functional Connectivity of the Brain: Potential Origins of Premature Aging in Young Adulthood
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本研究揭示了青年期线粒体DNA变异功能影响评分与背侧注意-语言网络功能连接降低的关联，并通过表观遗传年龄加速（EpiAGE）探讨其潜在机制。作者创新性地结合通用功能连接（GFC）方法，发现较高的mtDNA FI评分可能通过加速衰老影响认知相关网络同步化，为理解早衰及神经退行性疾病风险提供了新视角。
引言
线粒体DNA（mtDNA）突变随衰老进程日益常见，并与年龄相关的神经退行性疾病存在关联。近期研究发现，mtDNA变异的功能影响（FI）评分与青年期的早熟表观遗传衰老及生物学衰老密切相关。mtDNA改变（包括缺失）亦与老年人认知能力改变相关。线粒体功能障碍会显著降低神经元的能量供应及脑内葡萄糖代谢，可能导致神经退行性变。影像学研究一致显示，全局脑代谢活动随年龄增长而下降，主要发生在额叶和颞叶的灰质区域。因此，葡萄糖代谢低下已被提议作为神经退行性疾病风险的预测标志物。具有较高连接性和能量需求的大脑枢纽对能量输送和利用缺陷最为脆弱，可能是衰老和神经退行性疾病的主要靶点。此外，葡萄糖消耗的减少与大脑功能活动和连接性的降低密切相关。长程的网络间连接比局部的网络内连接消耗更多能量。因此，损害线粒体功能的较高mtDNA变异FI评分可能特别影响招募额叶和颞叶区域的认知相关网络与其他更远端网络的同步化。
研究还表明，衰老与长程功能连接的相关性强于短程连接，且年龄相关的长程功能连接减少在默认模式网络和背侧注意网络中最为明显。鉴于mtDNA变异FI评分与青年期表观遗传及生物学衰老之间的强关联，以及网络间连接的高能量需求，mtDNA变异FI评分可能映射到青年期年龄敏感脑网络的特定网络间功能连接模式。
通用功能连接（GFC）方法被引入作为个体大脑功能和认知能力差异的可靠标志物。该方法利用静息态和任务态功能磁共振成像（fMRI）的共享特征，凭借合并扫描时间长度，提供了更好的重测信度，从而能更好地识别行为个体差异的有意义相关性。GFC方法与先前研究一致，表明从任务fMRI中提取的功能网络与从静息态fMRI中提取的网络相似。结合任务和静息态fMRI提高了可靠性、可重复性和效力，从而显著改善了个体差异的神经科学研究。
基于GFC方法，本研究测试了研究团队新开发的mtDNA FI评分与大脑通用功能连接之间的潜在关系。采用全脑方法，研究了mtDNA FI评分与12个主要功能网络（包括初级视觉、次级视觉、体感运动、扣带盖、背侧注意、语言、额顶、听觉、默认模式、后部多模态、腹侧多模态和眶额情感网络）之间的GFC关系。这种网络划分比广泛使用但基于统计原理的七网络划分更能反映皮层网络组织的神经生物学定义。基于文献回顾，假设较高的mtDNA FI评分（即mtDNA中非同义常见突变存在病理结果证据的可能性更大）将与年龄敏感脑网络中较低的GFC相关。同时假设，mtDNA FI评分与这些年龄敏感网络中较低网络间GFC的关系可能由青年期加速的表观遗传衰老所介导。
材料与方法
参与者
参与者来自欧洲妊娠与儿童纵向研究（ELSPAC）队列，他们是1991年至1992年间出生于捷克共和国南摩拉维亚的产前出生队列成员，并参加了其青年期的两次随访研究。共有71名青年成年人（均为白种人，平均年龄29.18岁，49.3%为女性）拥有来自VULDE研究的优质遗传数据以及来自HBA研究的优质功能磁共振成像数据，因此可纳入当前研究。
遗传数据分析与mtDNA FI评分计算
在20岁出头的VULDE研究中，参与者提供颊拭子，分离DNA并进行遗传分析。对一组201个线粒体SNP进行基因分型。经过质控后，对mtDNA进行插补。通过结合MutPred、mtDNA Selection和MitoTool工具评估氨基酸变化的影响。对于每个个体，通过汇总所有三个工具对非同义常见变异的预测来计算功能影响（FI）评分，分数越高表示致病可能性越大。FI评分基于7个可能致病的mtDNA变异计算。
磁共振成像采集
在20岁末的HBA研究中，使用3T Siemens Prisma MRI扫描仪进行脑部MRI扫描。采集了T1加权结构像。在同一会话中，在静息状态和两个fMRI任务期间采集功能MRI图像。
MRI数据预处理
使用SPM12工具箱对fMRI数据进行预处理。将结构像配准到平均功能像并标准化到MNI空间。应用基于回归的滤波进行生理噪声校正。检查受试者在数据采集期间的运动量。根据Glasser图谱对预处理后的数据进行分区。
连接分析
将来自两个任务测量和静息状态会话的预处理和分区数据连接起来。将合并后的数据合并到12个功能网络中。计算每对12个功能网络之间的网络间静态功能连接。
青年期表观遗传衰老
在20岁末的HBA研究中，从所有参与者收集颊拭子。使用Illumina EPIC平台评估DNA甲基化。使用三种不同的表观遗传时钟计算表观遗传年龄。对于每个时钟，表观遗传年龄差距估计（EpiAGE）计算为针对批次、实际年龄和上皮细胞比例进行残差化的DNA甲基化年龄。EpiAGE的正值反映加速衰老，负值反映减速衰老。
协变量
在20岁末的HBA研究中，使用自我报告问卷收集有关物质使用的信息。
统计分析
首先评估数据分布，对不服从正态分布的变量进行对数转换。使用线性回归评估mtDNA变异FI评分对主要功能网络中GFC的影响，并使用错误发现率（FDR）方法校正多重比较。最后，进行中介分析以评估mtDNA FI评分与脑网络功能连接之间的关系是否由青年期加速的表观遗传衰老所介导。
结果
mtDNA变异FI评分与大脑GFC的关系
mtDNA变异FI评分与背侧注意网络和语言网络之间的连接显著相关。在调整性别、当前BMI、当前吸烟、饮酒和终生大麻使用等协变量并经过后续FDR校正后，结果仍然显著。事后分析显示，较高的mtDNA变异FI评分与背侧注意网络和语言网络之间较低的连接显著相关。即使排除一个潜在的异常值，结果仍然显著。
较高的mtDNA变异FI评分也与背侧注意网络与视觉网络、扣带盖网络、默认模式网络、后部多模态网络和腹侧多模态网络之间较低的连接相关，以及与语言网络和视觉网络之间较低的连接相关。然而，这些关系均未通过FDR校正。
青年期加速表观遗传衰老是否介导较高mtDNA FI评分与背侧注意和语言网络功能连接降低之间的关系？
使用95%置信区间时，较高mtDNA FI评分与背侧注意和语言网络功能连接降低之间的关系由加速表观遗传衰老介导未达到显著性。然而，当使用90%置信区间时，出现了由Horvath时钟介导的提示性证据，且这些关系独立于性别、当前BMI、当前吸烟、饮酒和终生大麻使用。
讨论
本研究探讨了青年期mtDNA变异FI对大脑GFC的影响。研究发现，较高的mtDNA变异FI评分（基于7个非同义常见变异，先前已与青年期加速的表观遗传和生物学衰老相关）与青年期背侧注意网络和语言网络之间较低的GFC相关。这些结果通过了FDR校正以及包括性别、当前BMI和当前物质使用在内的协变量校正。此外，研究提供了提示性证据，表明较高的mtDNA FI评分与背侧注意和语言网络之间较低连接的关系可能由青年期使用Horvath表观遗传时钟计算的加速表观遗传衰老所介导。
背侧注意网络对于维持注意力至关重要，有助于多种认知技能。语言网络涉及存储语言知识和访问词汇。这两个网络之间的较低连接可能反映了对言语或文本的定向和维持注意力较差，从而导致理解能力下降和认知技能变差。研究结果表明，具有较高mtDNA FI评分的个体可能面临对相关语言输入注意力较差、语言处理、言语理解和言语工作记忆较差的风险。背侧注意网络和语言网络之间的较低连接也可能反映了在言语工作记忆或其他语言任务期间过滤干扰的困难，以及对对话的注意力较差。
这些发现极大地扩展了先前关于mtDNA FI评分和加速衰老的研究。此外，它们也极大地扩展了先前在小鼠中的研究，该研究报告mtDNA改变与脑β-淀粉样蛋白积累改变相关，提示年龄相关疾病如阿尔茨海默病的发展。当前研究表明，mtDNA的改变以及与之相关的背侧注意网络和语言网络之间功能连接的改变在健康的青年成年人中即可检测到。这进一步表明，这些网络之间较低的功能连接可能作为年龄相关疾病较高风险的早期标志物。
mtDNA的致病性突变导致线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）受损、活性氧（ROS）生成增加和能量产生减少。构成本研究使用的mtDNA FI评分特征并已知与OXPHOS复合物I、II和IV功能相关的MT-ND2、MT-ND3、MT-ND4、MT-CO3和MT-CYB基因中的特定突变，先前已与阿尔茨海默病、帕金森病、双相障碍和2型糖尿病相关。这些关联以及本研究报告的mtDNA FI评分与背侧注意网络和语言网络之间较低连接的关联，可能由加速的表观遗传衰老所介导。本研究使用Horvath表观遗传时钟提供的后一种介导的提示性证据与先前研究一致，即mtDNA的中断或突变可导致核DNA的表观遗传变化。正如一篇关于线粒体和DNA甲基化的综述所解释的，线粒体通过一碳代谢（也称为叶酸循环、三羧酸循环和甲硫氨酸途径）控制核DNA甲基化。然而，使用AltumAge或CheekAge表观遗传时钟并未发现对这些关系的支持，因此，需要在包含血液表观遗传数据的队列中进行进一步研究，以解决这种不一致性，并提供对mtDNA FI评分、DNA甲基化和脑功能之间确切机制的更好理解。
研究结果也受到小样本量的限制，这可能限制结果推广到更广泛人群。此外，研究的横断面性质阻止了在变异与脑连接之间建立任何因果关系。在更大的队列、纵向研究设计以及纳入不同祖先人群中进行验证对于产生全面的见解至关重要。尽管如此，结合mtDNA变异、DNA甲基化和脑功能连接数据，特别是使用新颖的mtDNA变异FI评分以及GFC方法，是明显的优势，为理解早衰的发育起源提供了独特的视角。
