维生素B12（Vitamin B12，VB12），又称钴胺素，是一种含金属钴的有机化合物。在植物性食物中VB12含量较低，主要存在于动物性食物，如肉类、鱼类、蛋类和奶制品等[1]。VB12的吸收受到胃酸、蛋白酶、内因子和转运体的影响，并在进入细胞后以甲钴胺和腺钴胺两种形式参与代谢反应。在胞质中，甲钴胺作为蛋氨酸合成酶（Methionine synthase，MTR）的辅酶在蛋氨酸/S-腺苷蛋氨酸（Met/SAM）循环中将同型半胱氨酸（Homocysteine，Hcy）转化为蛋氨酸，并通过影响甲基供体SAM和一碳单位的代谢参与DNA合成和甲基转移反应。另一方面，线粒体内的腺钴胺作为甲基丙二酰辅酶A变位酶（Methylmalonyl-CoA mutase，MCM）的辅酶，催化甲基丙二酰CoA向琥珀酰CoA转化，参与三羧酸循环，维持正常的脂质和蛋白质代谢[2]。
维生素B12的水平不仅取决于膳食摄入量，如长期素食者易缺乏VB12；也与衰老过程中减少的VB12吸收率有关。研究指出VB12缺乏在老年群体中的发生率越来越高，胃粘膜退行性病变和长期口服质子泵抑制剂能够引起胃酸分泌减少，影响VB12与食物蛋白解离，导致VB12吸收障碍，如长期口服二甲双胍会使得糖尿病老年患者血清VB12下降[3]。
维生素B12介导蛋氨酸合成和游离四氢叶酸的再生，并通过影响一碳单位代谢，调节DNA合成[4]。巨幼细胞性贫血是由于DNA合成障碍所致的一种贫血，主要原因是叶酸和VB12缺乏，表现为红细胞数量减少，异常的巨幼细胞无法顺利进入血液循环，患者多出现头晕疲劳和呼吸困难等症状[2]。除引起巨幼细胞性贫血之外，心血管疾病、脂肪代谢、生殖系统和神经系统等疾病也与缺乏维生素B12密切相关。VB12缺乏可引起体内高同型半胱氨酸浓度升高，造成高同型半胱氨酸血症，诱导氧化应激并损伤血管内皮细胞功能，影响心血管功能。而且，高同型半胱氨酸血症是痴呆（如阿尔茨海默症AD）的危险因素，研究推测可能与损伤血管内皮进而影响大脑功能、促进神经细胞氧化损伤并增强β-淀粉样蛋白和促进神经纤维缠结的毒性有关[5]。此外，近年研究报道揭示，VB12缺乏引起甲基供体S-腺苷蛋氨酸缺乏，造成包括磷脂、蛋白质、DNA合成和神经递质代谢障碍的众多反应。VB12在脂肪代谢中起关键作用，在线粒体中缺乏VB12导致甲基丙二酰CoA积累，抑制脂肪酸氧化，促进脂肪生成和累积；引起胆固醇生物合成途径的低甲基化，诱导脂肪细胞功能障碍引发肥胖相关并发症。在生殖健康方面，VB12缺乏通过调节卵母细胞成熟和精子活力等影响生殖细胞质量、降低胚胎存活率[3]。因此VB12通过参与DNA合成和一碳单位的代谢，在维持基因组稳定性、能量代谢、生殖发育、衰老和神经保护等过程中发挥重要作用。
秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，C. elegans）隶属线形动物门，线虫纲，体型微小（成虫大约1-1.5 mm），生活于土壤中，以大肠杆菌（E.coli OP50）为食，具有雌雄同体和雄性两种性别，其中绝大多数个体为雌雄同体，雄虫仅占0.05%。基本结构包括胶原蛋白角质层、口、咽、肠及性腺[6]。与其他动物模型相比，秀丽隐杆线虫的生命周期相对短暂，在20℃实验室培养条件下，从虫卵发育至成虫仅需3天，寿命约2-3周，并根据形态结构特征划分为胚胎阶段、四个幼虫阶段（L1-L4期）和成虫阶段。其中每个幼虫阶段结束时都有一段静止期，用于形成新的角质层以及旧角质层的蜕皮；此外，进入成虫期的线虫开始产卵繁殖，该过程一般持续5-7天，雌雄同体自体受精大约产生300个后代，而与雄性交配后其后代数量可以扩增至1200-1400个。但当线虫处于食物匮乏、过度拥挤或高温等条件时，L2期幼虫进入滞育期（dauer）而非L3期，此时dauer期幼虫被角质层完全包裹，防止进食并阻止其发育；同时，角质层为线虫提供了更强的保护作用，以抵御外界环境压力，提高自身生存率。当条件重新变得有利时，dauer期幼虫会直接进入L4期，进而发育为成虫。因此，实验室保存线虫会选取 dauer时期，并将其置于-80℃或液氮中进行长期冻存[7]。
秀丽隐杆线虫是研究饮食、疾病和新陈代谢关系的重要模型，与传统模式生物如小鼠、果蝇、斑马鱼等相比具有诸多优势，包括：①生命周期短，可以简化缩短实验周期，便于抗压测试和寿命相关实验的快速分析，也能够在短时间内观察到多代线虫的生命过程；②线虫身体及产卵均呈透明状态，便于区分线虫的生长阶段，能够在显微镜下观察体内所有细胞，这也为细胞谱系追踪提供条件，一条雌雄同体成虫含有958个体细胞和302个神经元，与荧光蛋白技术联用，可以清晰检测活体线虫中目标基因的表达；③基因组测序完整，遗传背景清晰。线虫作为第一种完成基因组测序的多细胞生物，有60%-80%基因与人类同源，并且体内多种信号通路在进化上高度保守；④遗传操作简便。纯合雌雄同体通过自体受精可以获得相同后代，以维持性状的相对稳定，而与雄虫交配则有利于获得突变株。此外，RNAi干扰技术、通过显微注射进行转基因、诱变筛选以及CRISPR/Cas9等遗传技术也可应用于线虫进行突变体构建[8, 9]。因此，秀丽隐杆线虫成为探究基因功能和基因表达调控的重要工具，被广泛用于研究发育生物学、神经生物学和遗传学等。
秀丽隐杆线虫必须通过进食才能获取生长发育和繁殖所需的营养，不同的饮食对线虫的基因表达和代谢途径有显著影响。近年来研究报道，维生素B12对线虫的生长至关重要，线虫早期饮食中缺乏VB12导致其生长迟缓、脂肪增加、不育、学习记忆受损和寿命缩短的表型，并且当线虫在低水平的VB12饮食条件下连续生长五代时，会出现严重的VB12缺乏症，表现为甲基丙二酰CoA和同型半胱氨酸显著升高；相反，通过直接喂食VB12或含有高水平的VB12大肠杆菌，如HT115，将有效缓解线虫的生长速度和胚胎缺陷[10]。此外，饮食中补充VB12，通过发挥蛋氨酸合成酶辅助因子的作用，影响蛋氨酸/S-腺苷蛋氨酸(Met/SAM)循环，从而缓解了AD线虫中淀粉样蛋白Aβ诱导的线粒体碎裂、ATP缺陷和氧化应激，延缓线虫瘫痪[11]。因此，秀丽隐杆线虫作为研究VB12缺乏症和相关疾病的合适模型，对衰老及晚年疾病的治疗具有重要意义。
低水平VB12可以激活线虫的两种转录机制[12]。当低VB12水平或典型的丙酸分解途径被干扰时，造成丙酸积累并以核激素受体NHR-10依赖的方式激活丙酸分流途径基因的转录，该机制被称为“B12-mechanism-i”。其中丙酸分流中的第一个基因acdh-1充当控制点，在VB12受到限制时，acdh-1的表达被诱导数百倍；另一方面，“B12-mechanism-ii”则由Met/SAM循环活性的扰动引起。即低水平的VB12或低水平的Met/SAM循环活性以核激素受体NHR-114依赖的方式激活丙酸分流途径并促进Met/SAM循环基因的表达，该机制不依赖于丙酸的积累。NHR-114的功能丧失性突变体在喂食大肠杆菌E.coli OP50时出现发育缓慢且不育的表型，而补充VB12后可以挽救。
天冬氨酸蛋白酶参与多种生理活动，包括蛋白质水解、细胞周期调控与细胞凋亡等。天冬氨酸蛋白酶13（ASpartyl Protease 13，ASP-13）具有天冬氨酸型内肽酶活性，在秀丽隐杆线虫肠道中特异性表达，预测参与蛋白的水解过程。Bin Qi报道ASP-13作为肠道蛋白酶，受到 ELT-2转录因子的调控，ELT-2 过表达可促进 ASP-13表达，增强蛋白酶活性，并在维生素B2介导的食物消化、蛋白酶活性调节和生长发育过程中起重要作用，这一机制有利于线虫适应环境中的食物质量变化[13]。随着年龄增长，细胞内蛋白质稳态逐渐失衡，ASP-13等蛋白酶活性的改变，可能会影响蛋白质的降解过程，导致异常蛋白质积累。在衰老过程中也可能受到影响，导致细胞功能下降和组织功能衰退。但目前有关ASP-13功能的研究报道相对有限，本项目发现ASP-13在秀丽隐杆线虫衰老（Ageing）、阿尔茨海默疾病（AD）和补充VB12后的转录组测序（RNA-seq）数据中均有显著富集。因此，本研究可进一步探索ASP-13与维生素B12代谢之间的相互作用机制，并揭示其在秀丽隐杆线虫衰老过程及认知功能中的潜在影响。
参考文献：
[1] Laranjeira A C, Berger S, Kohlbrenner T, et al. Nutritional vitamin B12 regulates RAS/MAPK-mediated cell fate decisions through one-carbon metabolism. Nature communications, 2024, 15(1): 8178
[2] Green R, Allen L H, Bjørke-Monsen A L, et al. Vitamin B(12) deficiency. Nat Rev Dis Primers, 2017, 3: 17040
[3] 白姗姗, 王冰心, 张佳佳, 等. 维生素B12缺乏在老年人中的研究进展. 世界最新医学信息文摘, 2018, 18(06): 68-69
[4] Castillo L F, Pelletier C M, Heyden K E, et al. New Insights into Folate-Vitamin B(12) Interactions. Annu Rev Nutr, 2025
[5] Smith A D, Refsum H. Homocysteine, B Vitamins, and Cognitive Impairment. Annu Rev Nutr, 2016, 36: 211-239
[6] Rani N, Alam M M, Jamal A, et al. Caenorhabditis elegans: A transgenic model for studying age-associated neurodegenerative diseases. Ageing research reviews, 2023, 91: 102036
[7] Zhang M G, Seyedolmohadesin M, Mercado S H, et al. Sensory integration of food and population density during the diapause exit decision involves insulin-like signaling in Caenorhabditis elegans. Proc Natl Acad Sci U S A, 2024, 121(40): e2405391121
[8] Son H G, Altintas O, Kim E J E, et al. Age-dependent changes and biomarkers of aging in Caenorhabditis elegans. Aging Cell, 2019, 18(2): e12853
[9] Romussi S, Giunti S, Andersen N, et al. C. elegans: a prominent platform for modeling and drug screening in neurological disorders. Expert Opin Drug Discov, 2024, 19(5): 565-585
[10] Bito T. Physiology of vitamin B12: a study on its molecular mechanisms using a Caenorhabditis elegans model. Biosci Biotechnol Biochem, 2025, 89(3): 338-341
[11] Lam A B, Kervin K, Tanis J E. Vitamin B(12) impacts amyloid beta-induced proteotoxicity by regulating the methionine/S-adenosylmethionine cycle. Cell reports, 2021, 36(13): 109753
[12] Giese G E, Walker M D, Ponomarova O, et al. Caenorhabditis elegans methionine/S-adenosylmethionine cycle activity is sensed and adjusted by a nuclear hormone receptor. Elife, 2020, 9
[13] Qi B, Kniazeva M, Han M. A vitamin-B2-sensing mechanism that regulates gut protease activity to impact animal's food behavior and growth. Elife, 2017, 6
