2023年开年《Science》|线粒体代谢决定神经元发育的特种特异性速度-O2k在神经元发育研究领域的应用

引言：神经元发育研究为什么要关注线粒体？

       神经元（神经元细胞），是神经系统最基本的结构和功能单位，神经元之间形成复杂而精确的网络连接，从维持正常生命活动所需的心跳、呼吸，到实现基本活动的运动协调、感觉传递，再到高等思维方式如学习、记忆，都依赖于神经网络。神经元正常的形态发育对于神经网络的形成至关重要。神经元发育需要持续的能量供应。线粒体是细胞生命活动的能量工厂，是几乎所有真核生物都存在的一种细胞器。它的主要功能是进行氧化磷酸化 (OXPHOS) 合成 ATP，是糖类、脂肪和氨基酸等物质的最终氧化释放能量的场所，对维持生物体正常生理功能至关重要；线粒体除了作为细胞内能量生成的关键细胞器，还参与细胞凋亡、自由基产生、脂质代谢等代谢过程。神经元发育严重依赖线粒体，由于其复杂的形态和高能量代谢要求，容易受到线粒体功能障碍的影响。神经元发育与线粒体功能密切相关，但关于神经元发育能量代谢的调控机制，尤其是神经元发育与线粒体氧化磷酸化如何协同调控，目前仍不甚清楚。
 

线粒体氧化磷酸化功能评估为神经元发育研究带来的重要参考

       线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)系统是线粒体能量代谢的中心，是真核细胞能量产生的关键。支持OXPHOS系统运转的是电子传递链 (ETC)的上五种酶复合体:复合体I、复合体lI、复合体III和复合体IV，由复合体I、lI、III、IV生成的质子梯度随后被复合体V所利用，催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系统中任何一个复合体发生异常或功能障碍，都会极易导致线粒体发生功能障碍，因此通过检测OXPHOS系统各复合体功能活性来评估线粒体氧化磷酸化功能，将为深入研究线粒体在神经元发育研究中的分子作用机制带来重要参考。但如何快速检测分析OXPHOS各复合体的功能活性，是评估线粒体氧化磷酸化功能活性的技术难点。目前对OXPHOS各复合体的功能活性的检测，主要是采用比色法，操作时间长，步骤多，只能对单个复合体功能活性进行终点法的检测分析，无法一次性实时动态检测分析同一样本各复合体功能活性。
 

奥地利Oroboros技术特点：独有的一次性同时快速检测线粒体氧化磷酸化各复合体的功能活性

      Oroboros O2k提供了一种独特的SUIT（底物-解偶联剂-抑制剂-滴定，Substrate-uncoupler-inhibitor-titration）检测方案来检测线粒体氧化磷酸化各复合体的功能活性。Oroboros O2k没有加药孔的限制，也没有试剂盒的限制，可以根据实验设计灵活的无限制的添加底物、抑制剂、解偶联剂及不同浓度的药物滴定，实现同一个样本一次性快速进行复合体I、复合体II、复合体IV、最大呼吸率、ATP合酶的功能活性检测，深度挖掘线粒体能量代谢信息，快速评估和表征线粒体氧化磷酸化各复合体功能活性，从而助力神经元发育研究。
 

应用案例:2023年开年《Science》|线粒体代谢决定神经元发育的特种特异性速度

摘要：与其他哺乳动物相比，人类大脑皮层的神经元发育显著延长。这一发育以及成熟过程的延长可能正是人脑功能增强的基础。那么线粒体能量代谢过程是否影响到不同物种中皮层神经元的成熟呢?为了揭开这一问题的答案，2023年1月比利时VIB大脑与疾病研究中心Pierre Vanderhaeghen教授在《Science》发表了题为《Mitochondria metabolism sets the species- specific tempo of neuronal development》的研究论文，通过对人类和小鼠皮层神经元的比较，发现人类皮层神经元中线粒体发育较慢、代谢活性较低，尤其是氧化磷酸化，刺激人类神经元中线粒体代谢可以加速神经元的发育，导致神经元提前数周成熟，而在小鼠神经元中抑制线粒体代谢则导致成熟率降低。Pierre Vanderhaeghen教授在2023年开年发表在《Science》的研究论文为理解线粒体代谢与不同物种神经元成熟过程提供了新的见解。

 

研究结果：

（1）作者通过一种神经元出生日期测定系统（NeuroD1依赖性新生神经元（NNN）标记），并且与线粒体标记相结合，观察发现，与小鼠相比，人皮层神经元的线粒体发育较慢，皮层神经元成熟过程中的线粒体发育遵循物种特定的时间线。
（2）作者通过奥地利Oroboros O2k检测了神经元发育过程中线粒体的功能特性，重点是评估线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）和电子传递链（ETC）能力（图2，A至C）。O2k测定发现，从早期阶段开始，小鼠的线粒体OCR高于人类神经元，并且增加得更快；分化2周后，小鼠的受刺激的OCR比人类受刺激的OCR高10倍以上。
（3）作者为了进一步探究了神经元线粒体代谢活性对神经元发育的影响。设计了不同的实验方案：用LDHA【乳酸脱氢酶（LDH），LDHA有利于丙酮酸转化为乳酸】化学抑制剂GSK-2837808A（称为GSK）进行处理；以及将神经元细胞暴露于游离脂肪酸（FFA）（AlbuMAX）；
（4、5）作者再次通过奥地利Oroboros O2k检测了GSK和AlbuMAX不同组合实验方案刺激神经元后的线粒体代谢活性；发现增加线粒体OCR，尤其是氧化磷酸化（OXPHOS）和电子传递链（ETC）中复合体I（CI）和复合体IV（CIV）能力，加速人类神经元的形态分化。
参考文献：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.
 

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