MIRO1 基因突变引发帕金森病相关多巴胺能神经元丢失的代谢机制探秘

帕金森病（PD）的治疗面临困境，为探究其致病机制，卢森堡大学研究人员以携带 MIRO1p.R272Q突变的患者特异性诱导多能干细胞（iPSC）衍生的中脑类器官为研究对象。结果发现该突变影响多巴胺能神经元发育，导致代谢缺陷和神经元 - 星形胶质细胞代谢串扰紊乱，为 PD 研究提供新方向。

　　帕金森病，这一神秘的神经退行性疾病，如同隐藏在黑暗中的 “健康杀手”，悄然影响着无数人的生活。它是全球第二大常见的神经退行性疾病，且患病人数正迅速增长。目前，针对帕金森病的治疗手段十分有限，大多只能缓解症状，且适用人群和时间窗口都较为狭窄。多数帕金森病病例病因不明，虽然部分为家族遗传，但即使是散发性病例，基因变异也在其中起着重要作用。在这样的背景下，深入探究帕金森病的发病机制迫在眉睫，这不仅能为开发更有效的治疗方法提供理论依据，还能帮助人们更好地预防和应对这一疾病。

为了揭开帕金森病的神秘面纱，卢森堡大学（Luxembourg Centre for Systems Biomedicine, University of Luxembourg）的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于 MIRO1 基因，该基因编码的蛋白在维持线粒体正常功能方面发挥着关键作用，包括线粒体的分布、动态变化和生物能量代谢等。此前研究发现，MIRO1 基因与帕金森病的发病存在关联，并且在一位帕金森病患者中鉴定出了 MIRO1 的杂合突变（p.R272Q）。此次研究中，研究人员利用携带 MIRO1^p.R272Q突变的患者特异性诱导多能干细胞（iPSC）衍生的中脑类器官，深入探究多巴胺能神经元变性的细胞和分子机制。最终，研究人员发现 MIRO1^p.R272Q突变会影响多巴胺能神经元的发育路径，导致代谢缺陷以及神经元 - 星形胶质细胞代谢串扰的紊乱，这些变化可能是导致多巴胺能神经元丢失的重要致病机制。这一发现为理解帕金森病的发病机制提供了新的视角，也为未来开发针对帕金森病的精准治疗策略奠定了基础。该研究成果发表在《npj Systems Biology and Applications》杂志上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是单细胞 RNA 测序（scRNAseq），通过对中脑类器官不同分化阶段的单细胞进行转录组分析，确定细胞类型和基因表达变化；二是代谢建模，利用 scRNAseq 数据和通用的人类代谢重建模型 Recon3D，构建多细胞群体代谢模型，预测中脑类器官的代谢活动；三是免疫荧光染色和成像分析，用于检测和量化中脑类器官中不同细胞类型的标记物，观察细胞形态和数量变化；四是流式细胞术，分析线粒体活性氧（ROS）水平和线粒体膜电位等指标，评估线粒体功能。

研究结果如下：

1. PD - MIRO1 突变类器官显示持续的多巴胺能神经元丢失和改变的星形胶质细胞分化：研究人员构建了携带 MIRO1^p.R272Q突变的帕金森病患者来源的中脑类器官（PD - MIRO1）、等基因对照中脑类器官（GC）以及健康个体来源的中脑类器官（WT）。通过免疫荧光染色和成像分析发现，PD - MIRO1 突变类器官中多巴胺能神经元数量显著减少，且这种减少在培养 30 天后开始出现，并持续存在。同时，虽然 MIRO1^p.R272Q突变对成熟星形胶质细胞数量影响不大，但会延迟 GFAP 和 S100B 蛋白的合成，这可能会影响星形胶质细胞的功能。
2. PD - MIRO1 突变类器官中多巴胺能神经元的分化路径改变导致酪氨酸羟化酶（TH）随时间丢失：利用单细胞 RNA 测序和伪时间轨迹分析，研究人员发现 PD - MIRO1 突变类器官中多巴胺能神经元的分化路径发生改变。其中，TH^high多巴胺能神经元簇在 PD 中脑类器官中随时间减少，且 PD 中脑类器官在分化早期表现出多巴胺能神经元分化加速，但后期发育受阻。而 WT 中脑类器官则呈现出逐渐且有序的多巴胺能神经元分化过程。
3. MIRO1 突变的多巴胺能神经元存在线粒体呼吸功能障碍：通过空间自相关分析和基因富集分析，研究人员发现 WT 和 PD 多巴胺能神经元在发育过程中基因表达变化不同，且与线粒体功能密切相关。进一步研究发现，PD 多巴胺能神经元中与线粒体呼吸相关的基因表达异常，如线粒体复合物 I 亚基 NDUFA1 表达下调，ATP 合酶亚基 ATP5F1A 表达虽在 PD 中较高，但随时间下降，同时参与糖酵解的关键酶也下调，表明 PD 多巴胺能神经元线粒体呼吸功能较弱，且对糖酵解的依赖减少。
4. 多细胞群体建模预测中脑类器官的代谢活动：利用代谢建模方法，研究人员构建了多细胞群体代谢模型。分析发现，WT 和 PD 中脑类器官代谢模型相似，但存在定量差异。PD 中脑类器官乳酸分泌增加，可能是由于神经元中乳酸生成增多和星形胶质细胞乳酸分泌减少。同时，PD 中脑类器官中 3 - 羟基丁酸分泌增加，提示星形胶质细胞对神经元的支持增强。此外，模型还预测 PD 中脑类器官脂肪酸氧化（FAO）代谢增加，可能作为一种补偿机制。
5. 多细胞群体建模预测 WT 与 PD 条件下核心代谢途径的差异活动：对核心代谢途径的深入分析表明，PD 中脑类器官在糖酵解、三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化（OXPHOS）等代谢途径存在异常。PD 中脑类器官糖酵解通量虽高，但葡萄糖摄取减少；TCA 和 OXPHOS 通量降低，而 FAO 通量增加。在单细胞水平上，WT 和 PD 中不同细胞类型的代谢活动也存在差异，如 WT 中多巴胺能神经元和星形胶质细胞存在代谢串扰，而 PD 中这种串扰被破坏，多巴胺能神经元似乎失去了星形胶质细胞的支持，需要激活多种途径来维持能量供应。同时，研究人员通过实验验证了 PD 中脑类器官线粒体膜电位降低，ROS 水平升高，进一步证实了代谢模型的预测。

研究结论和讨论部分指出，MIRO1^p.R272Q突变导致线粒体呼吸功能障碍，影响多巴胺能神经元的发育路径和代谢稳态，最终导致其丢失。在正常生理状态下，神经元和胶质细胞之间的代谢相互作用对维持大脑正常功能至关重要，但在帕金森病中，这种相互作用被破坏。此外，研究还发现帕金森病中存在胆固醇代谢异常以及星形胶质细胞功能障碍等问题。不过，该研究也存在一定局限性，如仅使用了一个携带 MIRO1^p.R272Q突变的帕金森病患者细胞系，且单细胞代谢建模目前缺乏实验验证方法。未来研究需要纳入更多细胞系，并进一步优化模型，以更好地理解帕金森病的发病机制。总的来说，这项研究为帕金森病的研究提供了重要的理论依据，有助于推动针对帕金森病的精准治疗和早期诊断的发展。