综述：大脑中的线粒体分子多样性

《Current Opinion in Neurobiology》：Mitochondrial molecular diversity in the brain

　　

线粒体并非均匀的细胞器。在整个大脑中，它们展现出深刻的分子、生化和功能多样性，这种多样性由细胞类型、解剖区域、亚细胞区室和生活经历所塑造。近年来，针对细胞类型和亚细胞区域靶向的蛋白质组学、转录组学、高级活体成像和功能生物化学研究取得的进展，已开始以前所未有的分辨率描绘这一图景。这些发现共同挑战了将线粒体视为通用代谢引擎的传统观点，并将线粒体的分子多样性确立为大脑组织的根本特征，与行为、衰老和神经系统疾病直接相关。本综述综合了该领域的关键最新研究，突出了其发现、方法学创新及意义，并为未来研究提出了理论和假设。

**引言**

大脑是体内能量需求最高的器官，尽管仅占体重的2%，却消耗了约15-20%的全身总能量预算[1]。这些能量主要来源于线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）[1,2]，后者通过电子传递链（ETC）复合体I-V的协调活动产生ATP。除提供ATP外，线粒体还是关键的信号枢纽[3]，在离子和代谢物的储存与转运、细胞死亡以及生物分子合成中发挥核心作用[4,5,6]。大脑具有非凡的细胞异质性，包含数十种神经元亚型、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和血管细胞，每种细胞都有独特的代谢需求和功能特征。即使在单个脑细胞内，特别是在高度极化的神经元中，各功能亚区室的空间和时间代谢需求也存在差异。这些变异创造了独特的细胞微环境，从而产生不同的线粒体特征，以功能差异和分子组成差异为特征，支持突触处囊泡释放等专门活动。因此，线粒体在获取细胞类型和区室特异性特征方面的能力受损，可能导致一系列急性和慢性脑部疾病[7]。

然而，在神经科学的大部分历史中，线粒体一直被当作通用的、可互换的电池来处理。主流假设认为，线粒体功能主要在组织之间（如肝脏与心脏）存在差异，而非在同一器官内的专门化细胞群体之间或单个神经元的微域之间。过去十年的研究浪潮拓展了我们的大脑中线粒体多样性的定义，不仅阐明了神经元与胶质细胞之间线粒体功能和分子特征的差异，还揭示了亚细胞区室如何塑造线粒体功能、线粒体如何支持区室特异性活动，以及在细胞、系统和环路水平上丧失线粒体特征的功能后果（图1）。在此，我们重点介绍里程碑式的奠基性工作和新兴研究，以综合最新的模型和理论，并强调大脑中线粒体多样性的重要性。为捕捉这一快速发展的领域，我们讨论了近期预印本，同时指出其同行评审尚未完成。这些发现，包括细胞类型和区室特异性的分子图景，提出了有待机制验证的引人入胜的假设。

**Ia. 大脑中跨细胞类型的多样性。** 我们现在知道，大脑由极其复杂的细胞类型组成。线粒体展现出广泛的分子多样性以满足细胞类型特异的代谢需求。Fecher及其同事利用MitoTag小鼠系统，在体内从三种主要的浦肯野细胞（浦肯野细胞、颗粒细胞和星形胶质细胞）中分离出完整的线粒体，并对其进行深度蛋白质组学分析[8]。尽管在这三种细胞类型中确定了共同的线粒体核心蛋白质组，但约175种具有线粒体注释的蛋白质表现出差异表达，涵盖了几乎所有线粒体功能。引人注目的是，通路分析显示星形胶质细胞的线粒体比神经元线粒体更有效地代谢长链脂肪酸，暗示了潜在的细胞类型特异性线粒体专门化。该研究还鉴定出微管动力学调节蛋白3（Rmdn3）作为浦肯野细胞中内质网-线粒体接触位点的细胞类型特异性调节因子[8]。

在另一项近期研究中，Mosharov及其同事开发了一种物理体素化策略，将冻结的人脑冠状半球切片按神经影像分辨率（3×3×3毫米）划分为703个体素[9]。在每个体素中，他们测量了多种线粒体表型：OXPHOS酶活性、线粒体DNA（mtDNA）拷贝数和体积密度，以及线粒体特异性呼吸能力。所得图谱显示，人脑拥有由解剖拓扑结构和局部细胞类型组成共同驱动的高度多样化线粒体表型。灰质的线粒体含量和呼吸能力始终高于白质，且皮层下区域与皮层区域存在系统性差异。对选定体素进行单核RNA测序实现了线粒体生物化学与细胞类型组成的整合分析，揭示出细胞类型差异是观察到的区域变异的主要驱动因素[9]。此外，Sanchez-Contreras及其同事利用高精度下一代双链测序，在年轻和衰老小鼠的多种组织中描绘了体细胞mtDNA突变[10]。他们发现突变负荷在高度组织特异性的方式下随年龄增长。大脑尤其表现出其自身特有的突变积累模式。克隆性扩增突变的谱与非克隆变异的谱不同，且与活性氧（ROS）相关的突变类别并未随年龄成比例地扩增，提示存在主动清除而非无限制积累。这些数据凸显了在脑等混合细胞类型组成的组织中异质性混合的复杂性。

关于脑内非神经元细胞中细胞类型特异性线粒体异质性的研究相对较少。星形胶质细胞和少突胶质细胞的线粒体被认为在某些情况下支持神经元代谢，如强烈的突触放电或葡萄糖缺乏[7]。脑细胞之间存在明显的代谢差异：神经元总体高度依赖OXPHOS；少突胶质细胞从祖细胞状态的OXPHOS向成熟后的糖酵解转变；星形胶质细胞具有代谢灵活性；小胶质细胞在免疫激活期间在氧化状态和糖酵解状态之间切换[11]。线粒体多样性可能构成了线粒体疾病（如Leigh综合征）中观察到的神经元细胞类型特异性脆弱性的基础[11]。这些研究及其他研究强化了一个原则：线粒体分子特征是脑中的细胞类型特异性属性，且脑线粒体在衰老轨迹、认知功能和疾病过程中表现出不同的分子进化。这证实了能量分布的空间分布反映了大脑的功能架构。脑组织异质性使批量分析变得复杂，凸显了需要细胞类型分辨的方法。

**Ib. 同一脑细胞内的多样性。** 神经元的高度极化特性创造了不同的微环境，在线粒体行为和分子特征方面表现出差异。线粒体的丰度和定位在细胞类型和区室特异性方面表现出显著变异，且这种异质性与区域活动和突触后靶标相关[12,13]。线粒体在胞体-树突区形成广泛而精细的动态网络，但在轴突中则大多是离散且高度移动的。在突触处，线粒体可通过其独特的形态学[14,15]、蛋白质组学[14,16]、酶学[14,17]和Ca2?处理能力[18]加以区分。线粒体在突触前比突触后更大且更靠近，突触前通常在1微米内有一个线粒体。值得注意的是，肯永细胞对学习和记忆很重要，其每个突触前大约有1.5个线粒体[13]。

近期一项研究对各种神经元类型（包括功能验证）的胞体-树突和轴突线粒体蛋白质组进行了系统的、在体的、细胞类型特异性比较[19]。核心发现是，轴突线粒体并非由轴突特异性蛋白质定义，而是相对于其胞体-树突对应物，普遍缺乏支持mtDNA表达、OXPHOS和蛋白质稳态的蛋白质。与RiboTag翻译组及已发表的蛋白质半衰期数据整合分析揭示，短寿命蛋白的局部翻译有选择性地抵消了特定代谢通路的蛋白质组贫乏化[19]。同样，突触分子生物学的进展表明，突触处的局部翻译对突触功能和特征至关重要[20]。数千种mRNA被活跃转运至特定突触类型，在那里局部翻译独立于胞体塑造突触蛋白质组成[20]。在额外近期发表的文献支持下，轴突线粒体正被重新定义为主要是脂代谢型而非葡萄糖导向型的细胞器。平行工作显示DDHD2介导的脂肪酸释放作为轴突能量来源[21]，证据表明脂肪酸和甘油三酯也是大脑突触功能的重要生物能源储备[22,23]。这些发现与其他研究表明突触与胞体之间OXPHOS和线粒体对氧化损伤的易感性存在差异的研究结果相呼应[16,24,25]。

此外，通过直接高分辨率成像培养中和在体神经元，发现在主轴突中的线粒体 largely 缺乏mtDNA且ATP合成功能缺陷[26,27]。相比之下，驻留在分支点的线粒体优先进行mtDNA复制和转录，积累核编码的线粒体靶向mRNA，并在空间上与新合成胞质肽合成位点相关联。这个分支点池经历不对称分裂：一个子代保留mtDNA并留在分支点（维持具有生物合成能力的池的自我更新），而另一个子代则以高度移动的、mtDNA阴性的细胞器形式释放并分散到神经突中。这种不对称基因组分配恢复了富含mtDNA的母体线粒体的膜电位[27]。

这些发现提出了一个有趣的问题：缺乏mtDNA的轴突线粒体的功能是什么？一种可能是突触前Ca2?缓冲，但蛋白质组分析揭示了一个矛盾[19,26]。轴突线粒体的MCU蛋白质较少（MCU是线粒体内膜中Ca2?导入通道的主要成分），但在Ca2?超载时缓冲能力更好[28,29]。这些发现表明，仅凭蛋白质或RNA水平无法推断细胞器功能，且调控亚基的计量比（例如MCU复合体中的EMRE）以及局部区室特异性信号可能覆盖丰度差异。因此，需要进一步的工作来阐明不同脑细胞类型和神经元亚区室中线粒体的组成和功能，以理解线粒体在稳态和病理条件下对区室和细胞类型特异性活动的贡献。关于神经元区室间报道的代谢和蛋白质组特征的某些不一致性，可能源于实验设计的差异，如区室定义和蛋白质组工作流程。这些不一致性可通过未来采用直接可比较的方法和匹配的神经元模型的研究来解决。

**Ic. 时间上的多样性。** 经典模型表明，在神经元发育和成熟过程中，线粒体的精确定位对于维持局部ATP稳态至关重要。在神经突生长过程中，就地线粒体为神经元轴突和树突的延伸和分支提供ATP[30]。近期一项研究采用果蝇水平系统（HS）视觉中间神经元，促使重新审视该模型，表明成熟的HS树突在不受功能损害的情况下能够耐受严重的线粒体消耗[31]。作者提出，活动依赖性糖酵解调节和磷酸原缓冲（通过精氨酸激酶/磷酸精氨酸系统）可以替代OXPHOS来满足树突急性ATP需求。这与小鼠中的观察结果相呼应：出生后敲除MIRO1会在数月前耗尽皮层锥体树突中的线粒体，之后才出现形态缺陷[32]。这些结果表明，神经元对线粒体功能障碍的脆弱性高度依赖于发育时序和细胞类型，这一原则对于理解为何只有特定神经元群体在线粒体相关神经退行性疾病中退化具有直接意义。

**IIa. 驱动线粒体运动的分子引擎。** 神经元分配和移动线粒体的能力对于维持其异常极化的轴突和树突以及突触活动至关重要[33,34,35,36,37]。线粒体通过微管基础的长距离转运从胞体递送到末端[38,39,40]。在哺乳动物神经元轴突中，微管均匀对齐，所有（+）端指向轴突末端，而在树突中，其极性混合[41]。微管马达-接头复合体既充当引擎又充当载体，将线粒体装载到微管轨道上并驱动其移动。迄今为止，已经表征了一系列马达和线粒体接头蛋白。然而，这些蛋白在大脑中的细胞类型特异性活性尚不十分清楚。驱动蛋白马达调节向微管（+）端的运动。到目前为止，在哺乳动物中已鉴定出至少14个家族和45个编码驱动蛋白的基因[42,43,44,45,46,47,48]。胞质动力蛋白将线粒体向微管（-）端移动[49]。最著名的线粒体马达接头复合体是KHC-Milton-MIRO复合体。MIRO通过其C端跨膜（TM）域附着于线粒体外膜（OMM）[50]。MIRO的N端胞质结构域与Milton（TRAK1/Milton-1/OIP106和TRAK2/Milton-2/GRIF1）以及驱动蛋白重链（KHC）结合[51,52,53,54]。这些复合体共同将线粒体锚定到微管上。重要的是，驱动蛋白轻链（KLC）似乎对此复合体不是必需的[54]。动力蛋白复合体可与同一线粒体上的驱动蛋白活性协调[49,55,56]。

神经元在到达远端神经突最终目的地后停止线粒体的能力与移动线粒体同样重要。

神经元活动可以通过提高细胞内Ca2?离子浓度，使线粒体从微管上解离，这些Ca2?离子与MIRO的EF-hand结合，导致KHC-Milton-MIRO复合体发生构象变化，从而使线粒体与微管解离[52,57,58,59,60]。该机制是可逆且瞬时发生的，可能能够快速满足维持电发放所需的高能量需求并缓冲升高的Ca2?浓度。与培养神经元中观察到的Ca2?依赖性线粒体停滞不同，成熟视网膜神经节细胞树突中自发的和感觉诱发的Ca2?瞬变并未改变线粒体的运动性，提示依赖活性的运输调节因神经元细胞类型、亚细胞区室、发育状态和实验背景而异[61]。葡萄糖也调节神经元中线粒体的定位。O-连接N-乙酰氨基葡萄糖转移酶（OGT）通过添加葡萄糖衍生物——尿苷二磷酸N-乙酰氨基葡萄糖（UDP-GlcNAc），使Milton发生O-GlcNAc化修饰[62,63]。O-GlcNAc化的Milton随后与四又半LIM结构域蛋白2（FHL2）形成复合物，将线粒体固定在肌动蛋白丝上[64]。这一机制可能代表了线粒体如何寻找并利用燃料的方式。在哺乳动物轴突中，突触蛋白（syntaphilin）可以将线粒体停靠在突触前末梢附近的微管上，从而限制其运动性并支持突触活动的局部能量和钙缓冲需求[65,66]。

**IIb. 脑细胞中线粒体运输的异质性。** 尽管线粒体运输的分子机制可能在不同细胞类型间共有，但该领域的一个关键问题是：脑细胞类型之间的运输异质性是由什么导致的？回答这一问题的一大挑战在于活体成像线粒体的技术复杂性，无论在培养条件下还是在体，以及随后的分析方法学[67]。最近，Niedermeier、Feyen及其同事使用MitoTag小鼠与三条Cre驱动品系交配，标记钙调蛋白原阳性局部抑制性神经元（PV?）、兴奋性CamKIIα?投射神经元以及去甲肾上腺素能的蓝斑（LC）神经元，通过高频三维声光扫描对清醒成年小鼠的轴突线粒体运输进行了活体双光子成像[68]。该研究挑战了此前关于成年动物皮层中90–99%的线粒体处于静止状态（P45–P120）的观点[69,70]。相反，作者报告了不同细胞类型中14–32%的可移动比例，这比先前的发现高出近十倍[68]。他们认为，先前的差异是由于低采集速率导致的采样不足所致。值得注意的是，LC神经元轴突表现出比PV或CamKIIα神经元快得多的线粒体运输速度。聚集的tau蛋白——阿尔茨海默病（AD）的一个早期病理标志——在活体内优先损害LC神经元中的线粒体运输，为AD中选择性神经元易损性提供了基于线粒体运动性的证据[68]。这一对神经元线粒体运动异质性的有力论证为未来研究大脑细胞类型特异性的分子引擎奠定了激动人心的基础，这些分子引擎对于实现这些精密的调节至关重要。

**IIc. 具有多重功能的运动-适配器蛋白。** 外膜蛋白MIRO最初被鉴定为一种微管运动-适配器蛋白，通过与Milton和KHC的相互作用将线粒体偶联到微管上。我们发现MIRO可以与额外的蛋白相互作用，但这些相互作用高度依赖具体情境。例如，在线粒体去极化时，MIRO1与PINK1、PARKIN和LRRK2相互作用，导致其从外膜上移除并启动线粒体自噬。这一步骤在帕金森病（PD）患者的神经元中受损[71,72,73,74]。此外，我们最近发现MIRO1与核糖体亚基结合，并通过空间限制外膜关联的核糖体来组织线粒体相关蛋白的生物合成，这为MIRO1定义了一个新角色并开辟了一个新的研究领域[75]。在氧化应激期间，MIRO稳定其与氧化型MIC60（一种线粒体内氧化还原传感器）的相互作用，加剧了衰老和神经退行性疾病模型中的线粒体功能障碍[76]。MIRO1还可以与BAX结合，促进BAX在外膜上形成大孔以及线粒体DNA（mtDNA）泄漏，这在暴露于氧化应激的胶质瘤和PD相关神经元模型中得到验证[77]。有趣的是，同样的MIRO1-BAX复合物充当线粒体开关，决定不同的细胞死亡通路。在胶质瘤中，MIRO1依赖的通过BAX孔发生的mtDNA泄漏激活cGAS-STING-pIRF3信号轴，促进GPX4表达并抵抗铁死亡；而在PD神经元中，同样的孔触发凋亡[77]。我们开发了一系列化学多样的小分子，可结合人MIRO1的C末端GTP酶结构域，并能以非竞争性方式变构破坏异常的MIRO1-BAX和MIRO1-MIC60复合物，在神经退行性疾病和胶质瘤模型中产生了有益结果[71,77,78]。这些发现凸显了靶向该结构域进行广泛治疗干预的价值。

MIRO1的多功能在不同类型的脑细胞中以及神经元亚细胞区室中是如何协调的？MIRO1是否通过其在线粒体运输中的功能或通过其新发现的调节线粒体相关蛋白生物合成的作用，参与建立神经元线粒体的多样性？同样的MIRO1复合物或信号能否在神经元区室中被不同地调节，从而产生不同的线粒体行为？这些功能如何参与疾病发病机制？这些答案将帮助我们更好地靶向肿瘤和神经退行性疾病中的细胞类型特异性病理。

**章节摘要**

**结论**

研究人员现已共同确立：神经元不仅仅是一种能量需求高的细胞，而是一种能量分化型细胞，这种分化在从轴突分支点到全脑通路的每一个尺度上都有编码（图1）。不同脑细胞类型、区室和神经突起拓扑结构中的线粒体在蛋白质组、运输动力学、mtDNA含量、更新机制以及对病理性蛋白聚集的易损性方面均存在差异。

**作者贡献**

A.G.S.和X.W.撰写了本文。A.G.S.制作了图片。

**利益冲突声明**

作者声明无利益冲突。

**致谢**

我们向因篇幅限制未能引用的各位同事致歉。我们感谢以下资助方：美国国立卫生研究院（R35GM16151901, R01NS128040, R01GM143258；X.W.）。

Alva G. Sainz | Xinnan Wang