Science線粒體代謝在決定神經元發育的特種特異性速度的詳解

引言：神經元發育研究為什么要關注線粒體？

神經元（神經元細胞），是神經系統基本的結構和功能單位，神經元之間形成復雜而準確的網絡連接，從維持正常生命活動所需的心跳、呼吸，到實現基本活動的運動協調、感覺傳遞，再到高等思維方式如學習、記憶，都依賴于神經網絡。神經元正常的形態發育對于神經網絡的形成至關重要。神經元發育需要持續的能量供應。線粒體是細胞生命活動的能量工廠，是幾乎所有真核生物都存在的一種細胞器。它的主要功能是進行氧化磷酸化 (OXPHOS) 合成 ATP，是糖類、脂肪和氨基酸等物質的最終氧化釋放能量的場所，對維持生物體正常生理功能至關重要；線粒體除了作為細胞內能量生成的關鍵細胞器，還參與細胞凋亡、自由基產生、脂質代謝等代謝過程。神經元發育嚴重依賴線粒體，由于其復雜的形態和高能量代謝要求，容易受到線粒體功能障礙的影響。神經元發育與線粒體功能密切相關，但關于神經元發育能量代謝的調控機制，尤其是神經元發育與線粒體氧化磷酸化如何協同調控，目前仍不甚清楚。

線粒體氧化磷酸化功能評估為神經元發育研究帶來的重要參考

線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)系統是線粒體能量代謝的中心，是真核細胞能量產生的關鍵。支持OXPHOS系統運轉的是電子傳遞鏈 (ETC)的上五種酶復合體:復合體I、復合體lI、復合體III和復合體IV，由復合體I、lI、III、IV生成的質子梯度隨后被復合體V所利用，催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系統中任何一個復合體發生異常或功能障礙，都會容易導致線粒體發生功能障礙，因此通過檢測OXPHOS系統各復合體功能活性來評估線粒體氧化磷酸化功能，將為深入研究線粒體在神經元發育研究中的分子作用機制帶來重要參考。但如何快速檢測分析OXPHOS各復合體的功能活性，是評估線粒體氧化磷酸化功能活性的技術難點。目前對OXPHOS各復合體的功能活性的檢測，主要是采用比色法，操作時間長，步驟多，只能對單個復合體功能活性進行終點法的檢測分析，無法一次性實時動態檢測分析同一樣本各復合體功能活性。

奧地利Oroboros技術特點：一次性同時快速檢測線粒體氧化磷酸化各復合體的功能活性

Oroboros O2k提供了一種獨特的SUIT（底物-解偶聯劑-抑制劑-滴定，Substrate-uncoupler-inhibitor-titration）檢測方案來檢測線粒體氧化磷酸化各復合體的功能活性。Oroboros O2k沒有加藥孔的限制，也沒有試劑盒的限制，可以根據實驗設計靈活的無限制的添加底物、抑制劑、解偶聯劑及不同濃度的藥物滴定，實現同一個樣本一次性快速進行復合體I、復合體II、復合體IV、 zui 大呼吸率、ATP合酶的功能活性檢測，深度挖掘線粒體能量代謝信息，快速評估和表征線粒體氧化磷酸化各復合體功能活性，從而助力神經元發育研究。

應用案例：2023年開年《Science》|線粒體代謝決定神經元發育的特種特異性速度

研究摘要：與其他哺乳動物相比，人類大腦皮層的神經元發育顯著延長。這一發育以及成熟過程的延長可能正是人腦功能增強的基礎。那么線粒體能量代謝過程是否影響到不同物種中皮層神經元的成熟呢?為了揭開這一問題的答案，2023年1月比利時VIB大腦與疾病研究中心Pierre Vanderhaeghen教授在《Science》發表了題為《Mitochondria metabolism sets the species- specific tempo of neuronal development》的研究論文，通過對人類和小鼠皮層神經元的比較，發現人類皮層神經元中線粒體發育較慢、代謝活性較低，尤其是氧化磷酸化，刺激人類神經元中線粒體代謝可以加速神經元的發育，導致神經元提前數周成熟，而在小鼠神經元中抑制線粒體代謝則導致成熟率降低。Pierre Vanderhaeghen教授在2023年開年發表在《Science》的研究論文為理解線粒體代謝與不同物種神經元成熟過程提供了新的見解。

研究結果：

（1）作者通過一種神經元出生日期測定系統（NeuroD1依賴性新生神經元（NNN）標記），并且與線粒體標記相結合，觀察發現，與小鼠相比，人皮層神經元的線粒體發育較慢，皮層神經元成熟過程中的線粒體發育遵循物種特定的時間線。

（2）作者通過奧地利Oroboros O2k檢測了神經元發育過程中線粒體的功能特性，重點是評估線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）和電子傳遞鏈（ETC）能力（圖2，A至C）。O2k測定發現，從早期階段開始，小鼠的線粒體OCR高于人類神經元，并且增加得更快；分化2周后，小鼠的受刺激的OCR比人類受刺激的OCR高10倍以上。

（3）作者為了進一步探究了神經元線粒體代謝活性對神經元發育的影響。設計了不同的實驗方案：用LDHA【乳酸脫氫酶（LDH），LDHA有利于丙酮酸轉化為乳酸】化學抑制劑GSK-2837808A（稱為GSK）進行處理；以及將神經元細胞暴露于游離脂肪酸（FFA）（AlbuMAX）；

（4、5）作者再次通過奧地利Oroboros O2k檢測了GSK和AlbuMAX不同組合實驗方案刺激神經元后的線粒體代謝活性；發現增加線粒體OCR，尤其是氧化磷酸化（OXPHOS）和電子傳遞鏈（ETC）中復合體I（CI）和復合體IV（CIV）能力，加速人類神經元的形態分化。

參考文獻：Iwata R, et al., Mitochondria metabolism sets the species-specific tempo of neuronal development. Science. 2023 Feb 10;379(6632):eabn4705. doi: 10.1126/science.abn4705. Epub 2023 Feb 10. PMID: 36705539.