线粒体不对称分配调控神经发生中细胞命运的新机制

《Nature Communications》：Unequal mitochondrial segregation promotes asymmetric fates during neurogenesis

本期推荐一项发表于《Nature Communications》的前沿研究。为解决脊椎动物神经发生中细胞命运不对称决定的机制难题，研究团队通过活体成像与化学遗传学技术，揭示线粒体作为关键命运决定因子在神经祖细胞分裂中的不对称分配规律。研究发现，继承较少线粒体的子细胞分化为神经元，而人为诱导线粒体不均等分配可驱动神经元提前分化。该工作首次在体内证实线粒体数量不对称性与细胞命运间的因果关系，为神经发育研究提供新范式。

　　

在脊椎动物神经系统发育过程中，神经祖细胞通过不对称分裂产生一个保持干性的祖细胞和一个分化的神经元，从而在维持祖细胞库的同时促进神经发生。这一过程依赖于多种命运决定因子（如mRNA、蛋白质、细胞器等）在细胞分裂时的不对称分配。尽管在无脊椎动物模型中已发现多个此类因子，但在脊椎动物中由于其体内研究的复杂性，相关机制仍知之甚少。近年来，线粒体作为细胞能量代谢和信号转导的中心，在多种模型中被发现与细胞命运转变相关，但其在神经发生过程中是否以及如何作为不对称命运决定因子起作用，尚缺乏直接的因果证据。

为解决这一科学问题，来自法国巴黎高等师范学院等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了题为“Unequal mitochondrial segregation promotes asymmetric fates during neurogenesis”的研究论文。他们以鸡胚脊髓神经上皮为模型，通过高分辨率活体成像、细胞命运追踪和化学遗传学操控等技术，首次在体内证明了线粒体在神经祖细胞分裂时的不对称分配直接导致了姐妹细胞命运的差异。

研究团队主要运用了以下几项关键技术：利用鸡胚神经管原位电转技术导入荧光报告基因；通过“en-face”活体成像和4D共聚焦显微镜实时监测分裂期祖细胞的线粒体分布与细胞轮廓；采用基于CRISPR/Cas9的体细胞基因敲入（Tis21-Cre）标记特定祖细胞亚群；开发并优化了CatchFire化学遗传学系统，在分裂期可逆地操控线粒体与微管网络的连接，以诱导其不对称分配；结合长期活细胞追踪（24-30小时）和磷酸化Retinoblastoma蛋白（pRb）免疫染色，精确判定子细胞命运（祖细胞或神经元）。

研究结果

神经发生过程中线粒体的不均等分离

研究人员首先通过活体成像技术，在鸡胚脊髓神经管中监测了不同发育阶段（E2、E3）神经祖细胞分裂时的线粒体分配情况。他们定量分析了胞质分裂后每个子细胞继承的线粒体体积，并计算了R_mito值（继承较少线粒体与较多线粒体的子细胞线粒体体积之比）。结果显示，在对称分裂为主的E2期，线粒体分配较为均衡（R_mito接近1）；而在不对称分裂增多的E3期，线粒体不均等分配（R_mito< 0.85）的频率显著增加。尤为重要的是，在富含不对称分裂的Tis21阳性祖细胞亚群中，线粒体分配不均的程度进一步加剧。这些结果表明，线粒体不对称分配的频率与不对称分裂的发生率呈正相关。

改变不对称分裂比例对线粒体分布的影响

为了验证这种相关性是否具有因果关系，研究团队通过功能获得（过表达Cdc25b以促进神经源性分裂）和功能缺失（敲低Cdkn1c/p57^kip2以抑制不对称分裂）实验干预了分裂模式。结果显示，在E2.25过表达Cdc25b可诱导线粒体分配向不均等方向显著偏移，类似于E3期的自然分布；相反，在E3期敲低Cdkn1c则使线粒体分配恢复至E2.25期的均衡模式。这些功能实验证实，发育过程中线粒体不均等继承频率的增加是不对称分裂模式出现的结果。

继承较小线粒体库与神经分化相关

通过长期命运追踪58对姐妹细胞，研究发现线粒体分配模式与细胞命运决定紧密关联。在对称分裂（PP或NN）中，线粒体分配大多均衡（R_mito> 0.85）；而在不对称分裂（PN）中，多数情况（23/34）下线粒体分配不均（R_mito< 0.85）。更为关键的是，在23对显示线粒体不均等分配的PN对中，有21对（91%）是继承较少线粒体的那个子细胞分化为神经元。这表明，线粒体数量的相对不平衡是细胞命运不对称决定的强预测指标。

线粒体分离的化学遗传学操控

为了直接检验线粒体不对称分配是否足以驱动命运不对称，研究团队开发了一种可在分裂期可逆地操控线粒体分布的化学遗传学方法——CatchFire系统。该系统通过配体诱导，能暂时将线粒体锚定在驱动蛋白KIF17上，从而使其在微管网络上发生聚集并导致不均等分配。通过优化配体处理条件，他们成功地在以对称分裂为主的E2期祖细胞中诱导出了与E3期生理范围相当的线粒体分配不均（R_mito< 0.85）。

强制线粒体不对称分离驱动不对称命运

将CatchFire操控与子细胞命运判定相结合后，研究发现，在配体处理期间发生分裂的祖细胞中，线粒体分配不均的比例显著增加，与之相伴的是不对称PN分裂比例从对照组的20%上升至53%。尤为重要的是，这种命运转变特异性地发生在那些显示线粒体分配不均的姐妹对中，并且继承较少线粒体的子细胞绝大多数（10/12）分化为神经元，这与自然状态下不对称分裂的观察结果一致。

结论与意义

本研究通过精巧的体内实验，首次提供了线粒体作为不对称细胞命运决定因子的直接因果证据。研究不仅揭示了线粒体数量相对差异（而非绝对数量）是命运决定的关键参数，还提出了线粒体不对称可能通过调节姐妹细胞间的Notch/Delta等信号通路来放大命运偏差的新机制。该发现深化了对神经发生基本规律的理解，并为研究其他干细胞系统中细胞命运决定的协调机制提供了新思路。