Science：线粒体代谢决定神经元发育的物种特异性速度

与小鼠相比，人皮层神经元的线粒体发育较慢，线粒体代谢活性较低，尤其是氧化磷酸化。

线粒体成熟的至少部分时间差异源自线粒体基因调控机制的模式。

刺激人类神经元中的线粒体代谢导致体外和体内加速发育，细胞提前数周成熟。

  研究背景：

发育过程表现出时间轴或异时性的物种特异性差异，这可能导致器官大小、细胞组成或功能的差异。与其他物种相比，人类大脑发育的特点是皮质神经元的成熟时间延长。有研究发现，源自多能干细胞（PSC）的人类和非人灵长类皮质神经元以及移植到小鼠大脑中的异种神经元沿着其物种特定的时间线发育，这表明细胞有着内在的发育时序机制。

代谢和线粒体是许多系统中细胞命运转变和成熟的驱动因素，包括大脑。新陈代谢的物种差异与发育生长有关，但新陈代谢是否影响物种特定的发育速度仍不清楚。

由于神经发生不是同步的，研究神经元成熟具有挑战性，因为在不同时间点出生的神经元群体在大脑发育的同一阶段共存。为了研究具有最佳时间分辨率的神经元发育，研究人员开发了一种神经元出生日期测定系统（NeuroD1依赖性新生神经元（NNN）标记），用以显示神经元生长和复杂性的及时进展。此外，为了检查皮层神经元发育过程中的线粒体动力学，研究人员将NNN标记与线粒体标记相结合。观察发现，皮层神经元成熟过程中的线粒体发育遵循物种特定的时间线，与小鼠相比，人皮层神经元的线粒体发育较慢。

神经元发育过程中线粒体生物发生和动力学的物种间差异

接着，研究人员探究了神经元发育过程中线粒体的功能特性，重点是线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）和电子运输链（ETC）能力。线粒体耗氧率（OCR）测定发现，分化2周后，小鼠的受刺激OCR比人类的受刺激的OCR高10倍以上。此外，研究人员还使用基于质谱的示踪分析进行了葡萄糖代谢检查，发现与同龄小鼠相比，人类发育中的皮层神经元线粒体驱动的TCA循环和氧化活性较低。

神经元发育过程中线粒体代谢的种间差异

为了深入了解可能导致这种差异的原因及其在体内的相关性，研究人员对比了体外人类神经元以及体内人和小鼠胎儿皮层的单细胞RNA-seq数据。分析发现，线粒体或代谢基因的体外和体内表达模式相似且相关，人类和小鼠细胞的线粒体和代谢基因的时间模式相似，与氧化磷酸化相关的基因总体增加，与糖酵解相关的基因减少，且在小鼠中发生的时间早于人类神经元。

神经元发育过程中代谢基因表达的时间模式

随后，研究人员探究了线粒体代谢功能中观察到的物种差异是否可以决定神经元成熟的速度。葡萄糖示踪实验揭示了丙酮酸转化为乳酸的种间差异，这是由乳酸脱氢酶（LDH）催化的。LDH由A和B亚基组成，LDHA有利于丙酮酸转化为乳酸，LDHB有利于乳酸转化为丙酮酸。研究人员靶向LDHA用以调节人类神经元线粒体OCR，并进一步检测其对神经元发育的影响，发现线粒体活性增加会加速神经元分化，导致人类神经元成熟加快。

相似的，在小鼠神经元中抑制线粒体代谢则会导致成熟率降低。最后，研究人员使用异种移植小鼠新生皮层的人类皮层神经元，在体内观察到类似的效果，增加线粒体代谢活性可加速体内人类神经元的形态分化。

增加线粒体代谢加速人类神经元成熟

综上所述，该研究发现线粒体代谢活动决定了皮质神经元的物种特异性发育速度。线粒体代谢的增强导致神经元形态和功能成熟的加速。体外加速人类神经元成熟可能有助于基于PSC的神经疾病建模，另一方面，长期以来，人们认为人类神经元的长期发育在获取人类特定认知特征方面具有积极作用。加速或减缓神经元发育的工具可以用来测试神经元新生对大脑功能、可塑性和疾病的影响。