Science線粒體代謝在決定神經(jīng)元發(fā)育的特種特異性速度的詳解

引言：神經(jīng)元發(fā)育研究為什么要關注線粒體？

神經(jīng)元（神經(jīng)元細胞），是神經(jīng)系統(tǒng)基本的結構和功能單位，神經(jīng)元之間形成復雜而準確的網(wǎng)絡連接，從維持正常生命活動所需的心跳、呼吸，到實現(xiàn)基本活動的運動協(xié)調(diào)、感覺傳遞，再到高等思維方式如學習、記憶，都依賴于神經(jīng)網(wǎng)絡。神經(jīng)元正常的形態(tài)發(fā)育對于神經(jīng)網(wǎng)絡的形成至關重要。神經(jīng)元發(fā)育需要持續(xù)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(nèi)能量生成的關鍵細胞器，還參與細胞凋亡、自由基產(chǎn)生、脂質代謝等代謝過程。神經(jīng)元發(fā)育嚴重依賴線粒體，由于其復雜的形態(tài)和高能量代謝要求，容易受到線粒體功能障礙的影響。神經(jīng)元發(fā)育與線粒體功能密切相關，但關于神經(jīng)元發(fā)育能量代謝的調(diào)控機制，尤其是神經(jīng)元發(fā)育與線粒體氧化磷酸化如何協(xié)同調(diào)控，目前仍不甚清楚。

線粒體氧化磷酸化功能評估為神經(jīng)元發(fā)育研究帶來的重要參考

線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)系統(tǒng)是線粒體能量代謝的中心，是真核細胞能量產(chǎn)生的關鍵。支持OXPHOS系統(tǒng)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(tǒng)中任何一個復合體發(fā)生異常或功能障礙，都會容易導致線粒體發(fā)生功能障礙，因此通過檢測OXPHOS系統(tǒng)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(jīng)元發(fā)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(tài)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(lián)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(jù)實驗設計靈活的無限制的添加底物、抑制劑、解偶聯(lián)劑及不同濃度的藥物滴定，實現(xiàn)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(jīng)元發(fā)育研究。

應用案例：2023年開年《Science》|線粒體代謝決定神經(jīng)元發(fā)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(jīng)元發(fā)育顯著延長。這一發(fā)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(jīng)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(fā)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(jīng)元的比較，發(fā)現(xiàn)人類皮層神經(jīng)元中線粒體發(fā)育較慢、代謝活性較低，尤其是氧化磷酸化，刺激人類神經(jīng)元中線粒體代謝可以加速神經(jīng)元的發(fā)育，導致神經(jīng)元提前數(shù)周成熟，而在小鼠神經(jīng)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(fā)表在《Science》的研究論文為理解線粒體代謝與不同物種神經(jīng)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(jīng)元出生日期測定系統(tǒng)（NeuroD1依賴性新生神經(jīng)元（NNN）標記），并且與線粒體標記相結合，觀察發(fā)現(xiàn)，與小鼠相比，人皮層神經(jīng)元的線粒體發(fā)育較慢，皮層神經(jīng)元成熟過程中的線粒體發(fā)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(jīng)元發(fā)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(fā)現(xiàn)，從早期階段開始，小鼠的線粒體OCR高于人類神經(jīng)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(jīng)元線粒體代謝活性對神經(jīng)元發(fā)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(jīng)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(jīng)元后的線粒體代謝活性；發(fā)現(xiàn)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(jīng)元的形態(tài)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.