《Neuroscience Research》：Transcriptomic and epigenetic characterization of paraventricular thalamic nucleus neurons in Polg1 mutant mice
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线粒体包含多个线粒体DNA（mtDNA）拷贝，其维持受核基因组准独立调控。mtDNA（人类约16.6 kb，小鼠约16.3 kb）编码氧化磷酸化所必需的蛋白质。通过氧化磷酸化和三羧酸循环，线粒体产生包括乙酰辅酶A（acetyl-CoA）在内的多种代谢物，后者可
线粒体包含多个线粒体DNA（mtDNA）拷贝，其维持受核基因组准独立调控。mtDNA（人类约16.6 kb，小鼠约16.3 kb）编码氧化磷酸化所必需的蛋白质。通过氧化磷酸化和三羧酸循环，线粒体产生包括乙酰辅酶A（acetyl-CoA）在内的多种代谢物，后者可用于组蛋白乙酰化（Pietrocola等人，2015；Wellen等人，2009）。体外实验中，mtDNA耗竭会降低与核DNA相关的特定组蛋白乙酰化水平（Martínez-Reyes等人，2016）。组蛋白乙酰化失调见于神经退行性疾病（Saha和Pahan，2006）和衰老过程（Benayoun等人，2015），并会破坏记忆形成（Mews等人，2017）。染色质修饰酶对代谢物的直接感知可以动态适应染色质结构（Katada等人，2012；Kaelin和McKnight，2013），因此不仅代谢酶（Gut和Verdin，2013；Akhtar等人，2019）的活性，细胞器（此处指线粒体）的功能状态也可能影响组蛋白修饰。
线粒体功能障碍与多种神经精神疾病相关。相反，线粒体疾病与神经精神疾病之间存在高度共病，约20%的患者伴有情绪障碍，包括双相情感障碍（BD）和抑郁症（Fattal等人，2007；Mancuso等人，2013；Inczedy-Farkas等人，2012）。此外，线粒体特异性DNA聚合酶POLG的有害变异与BD相关（Kasahara等人，2017）。研究人员先前培育了在前脑神经元中表达突变Polg1（D181A）的转基因小鼠，发现这些Polg1突变小鼠会经历自发性、复发性抑郁样发作，其特征为活动减少、皮质酮增加、睡眠模式紊乱以及其他让人联想到人类抑郁发作的特征（Kasahara等人，2006，2016）。抑郁样发作仅在雌性小鼠中观察到，并且在卵巢切除后消失。关键线粒体蛋白细胞色素c氧化酶（COX，包含mtDNA编码亚基的复合体IV）的酶活性可在新鲜冷冻脑切片上可视化，用于在细胞水平评估线粒体功能（Tyynismaa等人，2005）。研究人员已证明，在Polg1突变小鼠中，以COX活性缺失为标志的线粒体功能障碍神经元优先积累在室旁丘脑核（PVT），并且PVT是mtDNA突变的主要热点区域（Kasahara等人，2016；Bagge等人，2020）。研究人员假设，部分缺失的mtDNA分子（ΔmtDNA）（其缺乏编码COX亚基的基因）的积累导致了COX-细胞中COX蛋白的丢失。由于使用了神经元特异性启动子Camk2a，COX-状态仅发生在神经元中。mtDNA缺失的发生与突变Polg（D181A）校对活性的丧失随机相关，导致COX-细胞积累和行为表型的个体差异。
PVT作为大脑网络中的关键枢纽，介导情绪、动机行为、社交性、行为稳态等（Iglesias和Flagel，2021；Penzo和Gao，2021）。本研究旨在探究PVT中线粒体功能障碍的细胞和表观遗传学后果及其与情绪状态的相关性。研究人员表征了Polg1突变小鼠中与PVT神经元线粒体功能障碍和情绪状态相关的转录组变化，以及与突变Polg1表达相关的染色质修饰。
本研究旨在探究线粒体DNA（mtDNA）突变如何通过影响特定脑区神经元，导致抑郁样行为。研究背景在于，线粒体功能障碍与神经精神疾病，特别是双相情感障碍和抑郁症存在密切关联。线粒体不仅是能量工厂，其代谢产物如乙酰辅酶A还参与组蛋白乙酰化等表观遗传调控，从而影响基因表达。然而，mtDNA突变如何具体导致情绪障碍的细胞与分子机制尚不清楚。此前，研究人员构建了在前脑神经元特异性表达突变线粒体DNA聚合酶Polg1（D181A）的小鼠模型。该模型小鼠（尤其是雌性）会自发出现复发性抑郁样发作，并且在其室旁丘脑核（PVT）中，线粒体功能障碍（表现为细胞色素c氧化酶（COX）活性缺失）的神经元优先积累。PVT是调控情绪和动机行为的关键脑区。因此，本研究聚焦于Polg1突变小鼠的PVT神经元，旨在阐明线粒体功能障碍引起的转录组和表观遗传组变化，及其与抑郁样行为的关系。该研究发表于《Neuroscience Research》期刊，对于理解情绪障碍的线粒体-表观遗传机制具有重要意义。
为开展研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，对长期进行跑轮活动监测的Polg1突变小鼠和野生型（WT）小鼠进行行为状态评估，以区分抑郁样发作期和情绪正常期，并据此对同期处死的同窝小鼠进行分组取样。其次，利用激光显微切割（LMD）技术，从小鼠脑冷冻切片中精确分离PVT脑区的COX阳性（功能正常）和COX阴性（功能异常）的单个神经元，用于后续的低起始量RNA测序（RNA-seq）分析。此外，研究还通过荧光激活细胞分选（FACS）分离PVT的神经元核，并运用基于限制性酶的原位染色质标记（RELACS）和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）技术，分析了组蛋白H3第27位赖氨酸乙酰化（H3K27Ac）的修饰变化。同时，使用转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）评估了染色质可及性。最后，通过离体线粒体钙滞留能力测定和定量PCR，探究了钙超载诱导线粒体通透性转换孔（mPTP）开放后，异常mtDNA从线粒体中的释放情况。
研究结果部分通过多个子章节详细呈现了发现：
在“线粒体功能障碍PVT神经元的鉴定与分离”中，研究人员成功利用LMD分离了COX
+和COX
-的PVT神经元，并依据长期跑轮活动分析确定了小鼠的行为状态（抑郁样或情绪正常），从而为后续转录组分析提供了精确分组的样本。
在“线粒体功能障碍和抑郁样行为与特定转录程序相关”中，RNA-seq分析揭示了Polg1突变小鼠与WT小鼠相比存在3831个差异表达基因（DEGs）。通过聚类分析，研究人员发现了一个在线粒体功能障碍（COX
-）神经元中上调的基因簇，特别是在抑郁样发作期采集的COX
-神经元中，基因本体（GO）分析富集到了“干扰素-α分泌的调节”和“响应线粒体去极化的线粒体自噬正调控”等术语。这表明抑郁状态下的线粒体功能障碍神经元存在独特的转录重编程，涉及先天免疫和线粒体质量控制通路。
在“线粒体功能障碍对神经元染色质可及性无明显影响”中，ATAC-seq分析表明，Polg1突变小鼠与WT小鼠的PVT神经元之间没有差异可及的染色质区域。然而，下调基因与ATAC峰的结合关联性更高，提示染色质结构基本稳定，但转录抑制可能与可及性模式相关。
在“mtDNA突变积累诱导H3K27Ac重新分布”中，H3K27Ac ChIP-seq分析显示，Polg1突变小鼠PVT神经元中存在大量H3K27Ac信号的获得和丢失区域，且丢失的区域通常更大并含有更多ATAC峰。这表明突变Polg1表达导致H3K27Ac修饰的重新分布，而非整体丢失。
在“突变Polg1驱动的mtDNA突变负荷影响H3K27Ac变化”中，研究人员在其他脑区（皮层、伏隔核和尾壳核）的分析发现，H3K27Ac变化的程度与mtDNA突变的积累水平相关，在突变积累较多的脑区变化更显著。
在“异常mtDNA从线粒体中释放作为一种假定的损伤相关分子模式”中，离体实验证实，当钙超载诱导mPTP开放时，mtDNA（包括缺失型ΔmtDNA）会从分离的线粒体中释放出来，且ΔmtDNA的释放倾向性更高。这为COX
-神经元中干扰素信号的上调提供了潜在机制：泄漏的mtDNA可能作为损伤相关分子模式（DAMP）激活胞质先天免疫反应。
讨论部分对上述发现进行了整合与阐释。研究人员总结指出，本研究在双相情感障碍模型小鼠中，绘制了与mtDNA突变诱导的PVT线粒体功能障碍相关的转录和表观遗传变化图谱。研究证明了突变Polg1表达导致转录重编程，特别是在抑郁小鼠的线粒体功能障碍神经元中诱导线粒体自噬和干扰素相关基因，并引起H3K27Ac的重新分布。线粒体自噬基因的上调可能代表了一种应对线粒体损伤的适应性反应，而非走向凋亡，这与未观察到整体H3K27Ac丢失及染色质可及性不变的结果一致。H3K27Ac的重新分布而非整体丢失，提示线粒体功能障碍可能通过改变局部乙酰辅酶A可用性或特异性表观遗传编程，选择性地触发某些通路。此外，从线粒体中泄漏的ΔmtDNA作为DAMP激活先天免疫反应，可能是联系线粒体异常与情绪障碍相关炎症的桥梁。这种加速的线粒体功能障碍与衰老相关的染色质变化相互作用，可能共同驱动抑郁表型。研究也指出了若干局限性，如表观遗传数据与转录组发现的直接联系尚未完全建立、mtDNA释放实验为离体研究、部分表观遗传分析未结合行为状态评估等。未来研究需利用单细胞RNA测序等技术进一步解析COX
-神经元亚群，并阐明mtDNA释放与抑郁特异性转录改变之间的因果关系。
研究结论部分翻译如下：本研究展示了mtDNA突变积累如何导致PVT神经元的转录和表观遗传改变。线粒体功能障碍与抑郁样行为相关，并伴随干扰素信号和线粒体自噬基因的上调。此外，突变Polg1的表达导致H3K27Ac修饰的重新分布。异常mtDNA从线粒体中的释放可能作为损伤相关分子模式，促进炎症反应。这些发现为理解线粒体功能障碍在情绪障碍中的作用提供了新的机制见解。
