帕金森病脚桥核胆碱能神经元线粒体DNA损伤机制的单细胞解析

《Brain》：Mitochondrial DNA damage elicits PINK1 upregulation in pontine cholinergic neurons in Parkinson’s disease

　　

摘要

在帕金森病中，位于上桥脑的脚桥核胆碱能神经元发生广泛变性，导致严重的少动性运动和非运动症状。我们此前已证明，这些神经元的丢失与线粒体功能障碍有关，这是由高线粒体 DNA 删除负担驱动的。在这些神经元中也观察到了线粒体 DNA 复制增加，这与先前报告的帕金森病影响下存活的黑质多巴胺能神经元中线粒体 DNA 拷贝数减少的情况形成对比。

在此，结合严格的质量控制，超深度全基因组测序被用于表征从帕金森病影响和神经学正常的尸检样本中分离的单细胞脚桥-胆碱能神经元内的线粒体 DNA 改变。分析包括线粒体 DNA 删除谱、大小分布、基因组位置、异质性水平、断点分类和点突变频率。热力学建模被用于调查围绕删除断点的线粒体 DNA 二级结构的稳定性是否能提供关于帕金森病中线粒体 DNA 删除形成机制的见解。同时，使用定制的单细胞多重多靶点基因表达检测评估核编码的线粒体途径反应，比较帕金森病和对照尸检神经元。

受帕金森病影响的神经元表现出大量的线粒体 DNA 损伤，其特征是大范围的线粒体 DNA 删除主要位于线粒体 DNA 的大弧内。线粒体 DNA 删除范围约为 50-5,500 碱基对，其中大多数超过 1,000 碱基对。大规模线粒体 DNA 删除的克隆扩增，很可能源于复制相关错误，代表了主要的突变种类。小线粒体 DNA 删除（<50bp）很少见，表明自由基诱导的链断裂不是体细胞线粒体 DNA 损伤的主要驱动因素。帕金森病和对照神经元之间的点突变频率相似，但在帕金森病神经元中对电子传递链复合体 I 亚基显示出更大的功能影响。热力学建模揭示，帕金森病尸检神经元中线粒体 DNA 删除断点两侧的线粒体 DNA 二级结构稳定性降低，在两种主要的线粒体 DNA 删除形成模型中平均降低约 2 kJ/mol。线粒体 DNA 损伤的增加伴随着核编码的线粒体自噬调节因子 PINK1 的显著上调，特别是在长期存活的 PD 患者中，这表明补偿性细胞保护反应的激活。总之，这些发现提供了帕金森病脚桥-胆碱能神经元中线粒体基因组改变的全面单细胞分辨率分析，显示出以大规模线粒体 DNA 删除为主的广泛线粒体 DNA 结构破坏。我们的结果进一步表明，线粒体自噬相关通路的上调可能代表一种适应性机制，以减轻渐进性线粒体基因组不稳定并保持神经元能量稳态。