Fis1在树突发育中的新角色：通过调控线粒体动力学与钙信号影响神经元形态发生

《Scientific Reports》：A role for Fis1 in dendritic development

本研究聚焦于神经元树突中线粒体网络形态的调控机制这一前沿问题。研究人员通过体外和体内实验，揭示了线粒体裂变因子Fis1在皮质神经元树突发育中的特异性作用。意外发现Fis1缺失导致树突而非轴突中线粒体长度减小，并伴随线粒体运动性、动力学、膜电位及钙摄取能力的改变，最终引起树突分支增加而树突棘密度降低。该研究阐明了Fis1通过调控树突特异性线粒体功能影响神经元形态发生的新机制，为理解线粒体动力学在神经发育中的作用提供了新视角。

　　

神经元是高度极化的细胞，其树突和轴突具有不同的形态和功能。这种极性部分源于细胞器在不同区室的差异分布。线粒体作为细胞的能量工厂和钙库，在神经元中呈现显著的区室化特征：轴突线粒体小而稀疏，树突线粒体则长而呈管状网络状分布。维持这种区室化的线粒体形态对神经元功能至关重要，其紊乱与多种神经发育障碍和神经退行性疾病相关。

线粒体形态由线粒体动力学（分裂与融合）的平衡所决定。动力相关蛋白1（Drp1）是介导线粒体分裂的关键GTP酶，其招募至线粒体外膜需要受体蛋白的介导。已知线粒体分裂因子（Mff）在维持轴突线粒体的小尺寸中起主要作用，但其缺失对树突线粒体形态影响甚微。这引出了一个关键问题：树突中的线粒体形态是如何被特异性调控的？裂变蛋白1（Fis1）是神经元中第二丰富的Drp1受体，但其在神经元，尤其是在不同区室中的具体功能仍存在争议且不甚清楚。

为了解决这一问题，由Klaudia Strucińska、Parker Kneis、Travis Pennington等人组成的研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们发现Fis1在树突线粒体中含量更高，并出乎意料地揭示了Fis1在树突发育中扮演着不同于其经典裂变促进角色的复杂功能：抑制线粒体运动性和动力学，从而维持树突中线粒体的融合主导表型，确保其正常的钙处理能力，最终影响树突分支和突触形成。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用子宫内电转（IUE）和离体电转（EUE）技术在胚胎期小鼠皮质神经元中特异性敲低或敲除Fis1；通过免疫荧光、活细胞成像（包括光活化定位、膜电位染料TMRM、基因编码的钙指示剂GCaMP6f等）分析线粒体形态、运动、动力学、膜电位和钙信号；通过谷氨酸解笼锁技术模拟突触活动，研究线粒体和胞内钙动力学；利用Sholl分析和高分辨率成像分别定量体外培养神经元树突分支和体内神经元树突棘密度。

Loss of Fis1 activity specifically affects the dendritic mitochondrial network

研究人员首先发现Fis1蛋白在树突线粒体上的丰度显著高于轴突线粒体。随后，他们通过在原代培养的皮质神经元和小鼠体内（通过子宫内电转）特异性敲低Fis1，发现树突中线粒体长度显著缩短，而轴突线粒体长度未受影响。这种表型可被shRNA抗性的Fis1表达所挽救，并通过CRISPR/Cas9基因敲除实验得到验证，表明该效应是Fis1功能特异性缺失所致。

Fis1 loss increases both dendritic mitochondria motility and dynamics

为了探究线粒体长度变短的原因，研究人员利用光活化基质靶向GFP进行活细胞成像。结果显示，Fis1敲低后，树突中线粒体的运动性显著增加，同时线粒体分裂和融合事件的频率也升高，但分裂的增加更为明显，从而打破了成熟树突中固有的融合主导平衡，导致平均线粒体长度减小。

Fis1 knockdown negatively impacts dendritic mitochondrial membrane potential

功能分析表明，Fis1敲低树突的线粒体膜电位（通过TMRM染料评估）和基质pH（通过SypHer探针评估）均降低，提示其功能受损。此外，这些线粒体对复合物III抑制剂抗霉素A的敏感性增加，进一步证实其电子传递链功能减弱。

Loss of Fis1 activity reduces dendritic mitochondria calcium uptake following evoked neuronal activity

在神经元活动期间，线粒体钙摄取对缓冲胞质钙浓度至关重要。通过谷氨酸解笼锁诱导神经元活动，研究人员发现Fis1敲低神经元树突线粒体的钙摄取能力显著降低。

Decreased mitochondrial uptake of calcium increases resting cytoplasmic calcium

线粒体钙摄取能力下降导致Fis1敲低神经元的静息胞质钙水平升高。然而，在给予足够刺激时，胞质钙峰值水平未受影响，自发活动也无显著变化，但活动间的变异性增加。

Fis1 knockdown results in increased basal dendrite branching

较高的静息钙水平影响了细胞骨架过程。Sholl分析显示，Fis1敲低神经元的基底树突分支在距离胞体特定范围内显著增加。

Dendritic spine density is decreased following Fis1 knockdown in vivo

与分支增加相反，通过体内成像发现，Fis1敲低导致发育中神经元基底树突上的树突棘密度显著降低。这表明Fis1缺失虽然促进了树突分支的复杂程度，但损害了突触连接点的形成。

讨论与结论

本研究揭示了Fis1在神经元中具有区室特异性功能，其主要在树突中调控线粒体网络的形成。与预期相反，Fis1的缺失并未导致树突线粒体融合增加而变长，反而通过增加其运动性和动力学（特别是分裂）使其变短。这种形态变化伴随着线粒体功能受损，包括膜电位降低、基质酸化、对复合物III抑制敏感性增加以及活动期钙摄取能力下降。功能受损的线粒体网络导致胞质钙缓冲能力减弱，静息钙水平升高，进而引起树突分支增加和树突棘密度降低的异常发育表型。

研究人员对Fis1导致线粒体长度变短这一违反直觉的结果提出了几种可能解释：Fis1可能与其他Drp1受体（如Mff、Mief1/2）相互作用，或招募特定构象的Drp1；近期研究表明人Fis1可与融合 machinery 相互作用，因此其缺失可能影响融合过程；或者，不完全的Fis1敲低在特定条件下（如氧化应激）可能导致剩余Fis1活性增强，反而促进分裂。Fis1缺失导致线粒体运动性增加，提示其可能参与线粒体在树突中的锚定机制，或许通过与内质网形成膜接触位点（MERCS）来实现。线粒体功能与形态的改变孰因孰果，以及Fis1是否参与活动依赖性线粒体分裂，是未来需要探讨的重要问题。

该研究的重要意义在于首次明确了Fis1在神经元树突发育中的关键且非经典的作用，将线粒体动力学、钙信号和神经元形态发生紧密联系起来。研究结果提示，靶向Fis1或相关通路可能为干预与线粒体功能障碍和钙稳态失衡相关的神经发育疾病提供新的思路。