共济失调毛细血管扩张症患者神经元和脑类器官模型揭示线粒体功能障碍和氧化应激

来源文献: Leeson HC, Aguado J, Gomez-Inclan C, et al. Ataxia Telangiectasia patient-derived neuronal and brain organoid models reveal mitochondrial dysfunction and oxidative stress. Neurobiology of Disease. 2024;199:106562.
DOI: 10.1016/j.nbd.2024.106562
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发表日期: 2024年6月13日
机构: 昆士兰大学 · Griffith大学

核心发现

这篇 Neurobiology of Disease 2024 论文由昆士兰大学 Ernst J. Wolvetang 实验室完成，首次利用AT患者 iPSC 来源的神经元和脑类器官，系统揭示了ATM 基因突变导致的进行性线粒体功能障碍和氧化应激，并证明抗氧化治疗可以恢复神经元功能。

六大突破

1. 进行性线粒体缺陷——从 iPSC → NPC → 神经元 → 脑类器官，线粒体缺陷随发育成熟度逐渐加重
2. 线粒体定位异常——AT 神经元中线粒体从胞体向神经突异常转运，最终导致线粒体网络碎片化
3. PARP/SIRT/NAD+ 信号轴破坏——ATM 缺失导致 PARP1 和 SIRT1 下调，影响线粒体自噬和生物合成
4. 早衰和炎症——AT 脑类器官表现出细胞早衰特征（p21、p16 上调，LMNB1 下调）
5. 突触功能障碍——RNA-seq 显示突触传递、神经递质通路显著下调
6. 抗氧化治疗有效——NAC 处理可恢复神经突分支和脑类器官的电生理反应

技术策略

模型系统

• 患者来源 ONS 细胞：5 名 AT 患者和 6 名健康对照的嗅觉上皮细胞
• iPSC 重编程：从 ONS 细胞重编程为 iPSC
• 2D 神经元分化：iPSC → NPC → 成熟神经元（2-10 周）
• 3D 脑类器官：AT32 患者和基因校正 iPSC 来源，培养 100 天
• 等基因对照：AT32 突变 vs 基因校正（isogenic control）

关键检测

核心结果

1. iPSC 和 NPC 中的线粒体缺陷

AT iPSC 表现出：

• 线粒体含量减少，结构改变
• 膜电位显著降低（TMRE ↓）
• 氧化应激增加（CM-H2Xros ↑）
• 等基因校正后表型恢复

图1 | AT 患者 iPSC 和 NPC 的线粒体评估

2. 神经元中的线粒体定位异常

2 周 AT 神经元：

• 线粒体从胞体向神经突异常转运
• 神经突中线粒体斑点增加（补偿机制？）

4 周 AT 神经元：

• 胞体和神经突中线粒体均减少
• 线粒体网络碎片化
• 膜电位持续降低

图2 | AT 患者 iPSC 来源神经元的线粒体评估

3. ATM 抑制实验

在健康神经元中用 ATM 抑制剂（KU-55933 / KU-60019）处理：

• 急性抑制导致氧化应激急剧增加（CM-H2Xros ↑↑）
• 神经突中线粒体斑点减少
• 表明 ATM 是氧化应激的关键传感器

图3 | ATM 抑制剂处理对神经元线粒体的影响

4. 转录组分析：线粒体和氧化应激缺陷

100 天脑类器官 RNA-seq 显示：

• 近 9000 个差异表达基因（突变 vs 校正）
• KEGG 通路：氧化磷酸化、TCA 循环、ROS 代谢上调
• GO 术语：氧化还原、细胞呼吸、电子传递链、氧化应激、ER 应激上调
• 突触功能、轴突导向、细胞周期信号下调
• 线粒体组织、分裂/融合、定位和转运过程受损

图4 | AT32 神经元和脑类器官的转录组分析

5. PARP/SIRT/NAD+ 信号轴和线粒体动力学

关键发现：

• PARP1 和 SIRT1 在 AT 神经元和类器官中均下调
• NRF2、PGC-1α、FOXO1 上调（补偿机制？）
• 线粒体分裂基因（OMA1、DRP1、STOML2）紊乱
• 线粒体自噬基因（p62、PINK1、PRKN）上调
• CHCHD2 显著上调（9.6 Log2FC），与帕金森病相关

图5 | AT32 神经元和脑类器官中的氧化应激和线粒体缺陷

6. 早衰和抗氧化治疗

AT 脑类器官表现出：

• CCND1、CDKN1A (p21)、CCL2 上调
• LMNB1 下调
• 10 周成熟神经元中 SA-β-Gal 阳性细胞增加 3 倍

NAC 治疗恢复神经元功能：

• ROS 减少：NAC 处理 10 天，细胞质 CM-H2Xros 信号减少约 10%
• 神经突分支恢复：βIII-tubulin 染色显示 NAC 显著恢复 AT 神经元的神经突覆盖面积
• MEA 电生理恢复：谷氨酸刺激后的放电率恢复到基因校正水平

图6 | 抗氧化治疗减少氧化应激并恢复神经元放电

对类器官研究的意义

AT 脑类器官作为疾病模型的优势

ATM 作为线粒体稳态主调控因子

ATM 不仅调控 DNA 损伤修复，还通过多条通路调控线粒体功能：

1. 直接线粒体定位：ATM 定位于线粒体，感知 ROS
2. NRF1 磷酸化：氧化应激激活 ATM → 磷酸化 NRF1 → 线粒体生物合成
3. PARP/SIRT 轴调控：ATM 与 PARP1 形成复合物，影响 NAD+ 代谢
4. 线粒体分裂/融合：ATM 缺失导致过度分裂和自噬受损

论文信息

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