《TRENDS IN Neurosciences》：Mitochondrial specialization and signaling shape neuronal function
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这篇前瞻性综述深入探讨了线粒体在脊椎动物神经元中的核心作用。作者指出，为满足神经元独特的高能耗、长距离传导和可塑性需求，线粒体在神经元内进行了功能特化，其精准定位、ATP生成、Ca2+缓冲、神经递质代谢及支持局部蛋白质翻译等功能，共同构成了神经元高效运作的代谢基础。文中也强调了线粒体功能失调与多种神经系统疾病的紧密关联。
在人体所有器官中，大脑的ATP需求量是最大的。神经元作为一种特化的细胞，其轴突体积往往远超胞体-树突体积，这需要长距离运输和局部极化机制。动作电位的发放、离子梯度的重建以及突触可塑性的动态变化，进一步增加了神经元的能量需求。与传统数字计算机的集中式能源不同，大脑的高能效可能源于其分散的“细胞动力源”——线粒体，它们分布在神经元的不同区室中，为其“计算”壮举供能。
线粒体在神经元功能中的核心作用
线粒体通过运输、融合/分裂和降解等过程的精密调控，被定位到神经元延伸结构内需求旺盛的区域。细胞ATP主要通过胞质中的糖酵解和线粒体中的氧化磷酸化（OXPHOS）两条代谢途径产生。糖酵解每分子葡萄糖仅产生2个净ATP分子，而OXPHOS可产生约30-32个ATP分子。糖酵解的终产物丙酮酸通过线粒体外膜（OMM）的电压依赖性阴离子通道和线粒体内膜（IMM）的线粒体丙酮酸载体进入线粒体，进而不可逆地脱羧生成乙酰辅酶A，进入三羧酸（TCA）循环。这种关键的交接过载在所有细胞中均受丙酮酸脱羧酶复合物磷酸化水平的调节，而最近在啮齿类神经元中也发现，线粒体丙酮酸载体的乙酰化可调节丙酮酸进入突触前线粒体。这种有氧和无氧葡萄糖消耗之间的调节使得突触局部的能量需求得以精确调谐。此外，最近在小鼠研究中认识到，脂肪酸也能被神经元线粒体在体外和体内利用，尽管长期以来人们认为大脑中的β-氧化仅限于胶质细胞。
除了ATP生成，线粒体还能缓冲细胞内Ca2+，并与神经元糖酵解、神经递质代谢和细胞氧化还原环境等代谢途径整合。这些功能的失调可能引发致命后果，因为线粒体是细胞死亡途径的守门人。特别是，细胞色素c从线粒体释放会引发细胞凋亡，并且线粒体也影响其他形式的程序性细胞死亡。鉴于线粒体对细胞代谢和生存的重要性，它们常与神经系统疾病相关联。
线粒体的影响始于神经发育阶段，并延伸至神经突的生长。在神经发生过程中，会发生从糖酵解到线粒体ATP合成的关键代谢转换，这与线粒体的生物合成和成熟同时发生。体外研究表明，维持轴突和树突生长所需的细胞骨架动力学，需要局部ATP合成来支持。此外，在发育中的小鼠轴突中，线粒体会特异性停滞在轴突分支位点，为新的细胞骨架蛋白的组装和局部合成提供能量。线粒体作为局部翻译热点的新兴作用将在下文讨论。
神经元线粒体的动态变化与降解
神经突中的线粒体运输与定位
在轴突和树突中，沿微管的长距离运输维持着线粒体的局部库。线粒体运输速度约为0.5微米/秒，在任何给定时间，只有一部分线粒体是运动的，而大多数线粒体会暂时停顿或被永久锚定在局部细胞骨架上，这在体外和体内均有观察到。运输由驱动蛋白和动力蛋白驱动，它们与位于线粒体外膜的运动衔接复合体相关。该复合体由OMM锚定的Miro蛋白组成，通过衔接蛋白Milton（TRAK）将马达蛋白与线粒体连接起来。线粒体也与肌动蛋白丝结合，通过肌球蛋白与运动衔接复合体的相互作用实现短程移动和锚定。破坏肌动蛋白的聚合会增加线粒体沿微管的运动性，并扰乱线粒体在树突中的定位。此外，线粒体外膜蛋白syntaphilin通过将线粒体拴在微管上来固定轴突线粒体。
线粒体优先锚定在轴突分支点、郎飞结和突触处。线粒体的停滞由多种机制调节。部分机制直接靶向运动衔接复合体，包括Ca2+介导的停滞、响应葡萄糖流入的O-GlcNAc糖基化以及线粒体损伤后的磷酸化。另一种机制依赖于与微管拴系蛋白Syntaphilin的Ca2+依赖性结合。这些过程通常受神经元活动调节。例如，神经元活动会局部消耗ATP，激活AMP激活的激酶（AMPK），从而触发信号级联反应，通过肌动蛋白在活跃的突触前膜处募集并拴系线粒体，并减少轴突中线粒体的运动。支持ATP在线粒体定位中的作用，最近一项在小鼠原代神经元中使用基因编码ATP传感器的研究表明，线粒体的均匀间距确保了ATP沿轴突的均匀分布。模拟ATP对线粒体运动性的影响可以预测观察到的均匀线粒体分布。
尽管有这些将线粒体靶向突触的机制，但30-50%的突触前膜缺乏驻留的线粒体。在这些位点，糖酵解似乎足以满足突触信号传导消耗的ATP需求。支持这一观点的是，在原代小鼠神经元中，使用基因编码的荧光ATP传感器评估时，有无线粒体的突触之间的ATP水平没有检测到差异。在线虫神经元中，当线粒体呼吸受损的缺氧条件下，糖酵解酶已被证明会聚集在突触前末梢以增强代谢物流动，这凸显了神经元能量来源的适应性。尽管如此，持续的突触活动似乎更受益于驻留的线粒体，因为它能增加原代神经元中停靠的突触小泡数量，表明线粒体来源的ATP具有局部优势。
神经突中的线粒体分裂与融合动态
通常，线粒体倾向于在特定的神经元亚区室中呈现不同形状，这种趋势在不同物种间基本保守。虽然胞体-树突线粒体形成长的、部分相互连接的管状结构，但轴突线粒体更均匀、短小，并大致均匀分布在整个轴突长度上。如果形态追随功能，这预示着不同亚区室的线粒体可能服务于不同的目的。
线粒体分裂产生更小的单位，这有利于重新分布和质量控制。该过程由发动蛋白相关蛋白1（DRP1）驱动，这是一种大型GTP酶，在内质网（ER）和肌动蛋白丝的辅助下使线粒体缢缩。DRP1被线粒体分裂因子（MFF）和线粒体动力蛋白49和51（MiD49和MiD51）等衔接蛋白募集到OMM，介导与线粒体生物合成相关的中区分裂。相反，外周分裂通过DRP1-线粒体分裂1蛋白（FIS1）活性释放小的线粒体片段，促进线粒体自噬和质量控制。
轴突线粒体的短小长度可能有利于其在长轴突距离上的运输。然而，在传统的哺乳动物原代神经元培养中（轴突长度通常达到约1毫米），干扰线粒体分裂使线粒体伸长，并未影响线粒体向轴突的运输。但在另一项采用软光刻微流控平台的研究中，该平台允许轴突延伸至约1厘米，作者观察到较长轴突中较小线粒体的明显富集以及分裂/融合蛋白比例的改变。与分裂互补，融合促进线粒体健康和膜电位。OMM的融合由线粒体融合蛋白MFN1和MFN2介导，而线粒体内膜的融合则由视神经萎缩蛋白1（OPA1）促进。小鼠和果蝇的研究表明，这些融合事件对于在重复刺激期间维持突触传递至关重要。因此，分裂-融合失衡会损害突触功能、神经传递和突触可塑性。
神经元线粒体的质量控制及其在神经突中的挑战
线粒体动力学的一个关键方面是通过线粒体自噬清除线粒体，这是一种特殊形式的自噬，最终导致细胞器被自噬体吞噬。为了维持非分裂神经元中恒定的线粒体数量，线粒体生物合成需要通过线粒体降解来平衡。然而，神经元中线粒体自噬的基础速率似乎低得惊人，至少在老鼠中如此。这可能是由于存在负调节因子，它们提高了线粒体自噬激活的阈值，将清除限制在严重受损的线粒体。这种较慢的周转可能有助于维持外周线粒体库，平衡相对缓慢的运输速率以及脑线粒体中许多蛋白质较长的半衰期。
确定神经元内线粒体自噬发生的确切位置是当前研究的热点。虽然溶酶体在胞体-树突区域更丰富，表明大多数自噬降解发生在胞体，但在小鼠轴突中也观察到了局部线粒体自噬，特别是最近一项预印本报道在郎飞结处。在大鼠和人类iPSC来源的培养神经元中，含有线粒体来源物质的自噬体不断在轴突尖端形成，并且新形成的自噬体逆行运输，在成熟为内溶酶体过程中酸性增加。因此，线粒体降解可发生在多个神经元区室，包括轴突中的局部损伤诱导性线粒体自噬和胞体中更显著的基线线粒体自噬。
多种分子途径可启动线粒体自噬。其中，研究最深入的是损伤诱导的PTEN诱导激酶1（PINK1）/Parkin途径，部分原因在于其与帕金森病的关联。正常情况下，PINK1在健康线粒体中迅速降解，但在损伤时，它会在线粒体外膜积累并募集和激活E3泛素连接酶Parkin。Parkin泛素化多种线粒体表面蛋白，而泛素本身也被PINK1磷酸化，从而标记细胞器进行自噬降解。神经元中一个独特的挑战是维持PINK1（一种半衰期约30分钟的短寿命蛋白）的局部供应，这限制了PINK1蛋白运输到远端轴突的可行性。因此，在哺乳动物神经元中，PINK1不仅从胞体运输，也在轴突和树突局部合成，使得线粒体自噬能够在远端位点局部发生。PINK1介导的线粒体自噬缺失会导致功能障碍线粒体积累和神经元细胞死亡，这是由受损线粒体无法缓冲胞质Ca2+触发的。
线粒体作为RNA载体和局部翻译的热点
细胞器接触位点局部翻译热点的形成
轴突内的翻译优先发生在线粒体和内溶酶体之间的接触位点。通过冷冻电子断层扫描（cryoET）也在轴突分裂位点附近检测到翻译中的核糖体，以及在轴突分支位点。此外，有报道称核糖体可搭内体的“便车”进入轴突，或通过与内质网（ER）结合进入轴突。虽然轴突内质网主要是光滑的管状，但最近证据表明，与内质网相关的翻译提供了相当一部分局部合成的蛋白质。线粒体-内质网接触位点的形成将允许RNA和前蛋白在两个细胞器之间穿梭。然而，线粒体蛋白并非唯一在线粒体附近合成的蛋白质。在轴突分支位点，线粒体支持细胞骨架元件的局部合成，包括β-肌动蛋白和皮质蛋白。类似地，在树突中，线粒体来源的ATP对于突触可塑性所需的蛋白质翻译至关重要。因此，无论新合成蛋白质的亚细胞目的地如何，线粒体似乎对神经元中的局部蛋白质合成都至关重要。
细胞器RNA运输和线粒体蛋白的局部翻译
线粒体-内溶酶体接触位点翻译热点的形成得到了这些细胞器结合和运输mRNA的支持。例如，PINK1 mRNA的运输（为远端神经突中的线粒体自噬所需）已在小鼠的体外和体内得到证明，并由mRNA附着在线粒体外表面介导。如在小鼠和人类培养神经元中所显示，PINK1的翻译受AMP激活的激酶负调控，AMPK有利于Pink1 mRNA以翻译抑制状态与线粒体结合。这进一步限制了在低ATP状态下远端轴突和树突中的线粒体降解。
OXPHOS复合物的生物合成需要细胞核和线粒体DNA（mtDNA）编码的蛋白质同时进行。小鼠实验表明，局部合成的OXPHOS成分成功整合到来自小鼠突触体的各自复合物中，对大鼠培养神经元的研究进一步表明，抑制轴突蛋白质合成会降低线粒体膜电位，表明OXPHOS成分的局部翻译是维持延伸轴突神经元区室中线粒体功能所必需的。在原代小鼠轴突中，脑源性神经营养因子响应下，线粒体起始因子3的局部翻译被证明可以上调线粒体核糖体对mtDNA编码基因的翻译。有趣的是，最近一项预印本研究显示，在小鼠神经元的体内和体外，一些轴突线粒体缺乏mtDNA，限制了它们在轴突中从头生物合成OXPHOS复合物的能力。这可能与线粒体分裂过程中的mtDNA遗传有关，如在大鼠原代培养神经元实验中所说明，当局部翻译MFF改变时，观察到线粒体核仁的分布发生转移。
缺乏mtDNA的轴突线粒体通过呼吸链复合物V的反向作用水解ATP，以维持其膜电位进行Ca2+输入。然而，复合物V的生物合成仍然依赖于mtDNA编码的ATPase亚基。一种解决轴突中缺乏mtDNA与OXPHOS复合物持续生成之间矛盾的假设可能是，将OXPHOS复合物的生物合成区室化到那些仍含有mtDNA的线粒体中，这些线粒体可能参与翻译热点形成。另一种可能是，进入轴突的线粒体中包含的不是mtDNA，而是足够编码必要mtDNA编码亚基的mRNA。虽然这种可能性仍有待检验，但它与小鼠神经元中的观察结果一致，即核编码的OXPHOS亚基mRNA被拴在线粒体表面并进行局部翻译。
