MICU2调控发育期神经元线粒体钙信号与迁移的新机制及其在神经发育障碍中的作用

《Cell Reports》：MICU2 controls mitochondrial calcium signaling and migration in neurons during development

　　本研究揭示了线粒体钙摄取调节蛋白MICU2在神经发育过程中的关键作用。研究人员发现MICU2通过调控mtCU(线粒体钙单向转运体)功能，防止发育期神经元线粒体钙超载，确保正常神经元迁移。MICU2缺失导致皮质神经元过度迁移和小鼠焦虑样行为，为理解MICU2无效突变患者神经发育障碍提供了机制解释。该研究发表于《Cell Reports》。

　　

在大脑发育的复杂过程中，钙离子信号传导扮演着至关重要的角色，它调控着从基因表达到能量代谢，再到突触形成和神经传递的多种神经元功能。线粒体作为细胞的能量工厂，不仅提供ATP，还通过线粒体钙单向转运体(mtCU)介导的钙摄取参与钙信号调节。然而，线粒体钙超载长期以来被认为是细胞应激的标志，在缺血性脑损伤或神经退行性疾病中可导致神经元死亡。

mtCU复合物由孔道形成亚基MCU、支架蛋白和EMRE组成，其功能受MICU1同源或与MICU2/MICU3异源二聚体的调控。尽管MICU1和MICU2的功能缺失突变都与儿童期发病的神经系统疾病相关，但令人困惑的是，成年大脑中MICU2含量极低，主要以MICU1和MICU3为主。这一矛盾引发了研究人员的思考：MICU2是否在神经发育早期阶段发挥重要作用？

为了解答这一科学问题，Elena Berezhnaya等研究人员在《Cell Reports》上发表了他们的最新发现。他们证实MICU2确实在发育期大脑中表达，但随着大脑成熟被MICU3取代。MICU2缺失会导致发育期神经元线粒体钙摄取阈值降低，引起皮质神经元过度迁移和年轻小鼠的焦虑样行为，这为理解MICU2无效突变患者的神经发育障碍提供了机制解释。

关键技术方法

研究团队采用了多种技术手段：利用患者来源的成纤维细胞评估MICU2缺失对线粒体钙信号的影响；通过Western blot分析小鼠皮质发育过程中mtCU亚基的表达动态；建立MICU2敲除小鼠模型，在原代皮质神经元中进行钙成像分析；采用EdU标记追踪胚胎期神经元迁移；通过Barnes迷宫、高架十字迷宫等行为学测试评估认知功能。

MICU2缺失降低线粒体钙摄取阈值

研究人员首先在MICU2无效突变患者的皮肤成纤维细胞中验证了线粒体钙信号的变化。与健康对照相比，患者细胞在内质网钙释放诱导的较小胞质钙信号下就出现了明显的线粒体钙升高，表明MICU2缺失确实降低了线粒体钙摄取的阈值。同时，患者细胞的静息线粒体钙水平也升高，且MICU1和EMRE蛋白表达减少。

大脑发育过程中mtCU复合物的动态变化

为了解释MICU2在神经发育中的作用，研究人员分析了小鼠皮质从胚胎期E15到成年期P80的mtCU亚基表达变化。结果发现，皮质线粒体在发育过程中获得了更多的mtCU复合物，表现为孔道形成亚基MCU和EMRE以及调节亚基MICU1和MICU3的显著增加。然而，MICU2的表达在发育过程中大幅减少，几乎在成熟期消失。

进一步分析发现，大脑中的mtCU复合物在发育过程中几乎失去了MICU2，而MICU1和MICU3变得更加丰富。特别是在发育早期丰富的较轻的MICU1-MICU2异源二聚体，在成熟过程中被较重的MICU1-MICU3异源二聚体所取代。这种变化在转录水平上就已经存在，且似乎主要发生在神经元中。

MICU2缺失改变发育期皮质神经元的钙信号

研究人员通过Cre/loxP策略构建了MICU2敲除小鼠模型，并从胚胎皮质中分离培养了原代神经元。在发育期神经元(DIV11-14)中，MICU2确实表达，且其缺失导致了MICU1和EMRE的小幅减少以及MICU3的增加趋势。

在钙成像实验中，MICU2缺失并不影响胞质钙信号，但增强了线粒体基质钙升高，特别是在低胞质钙水平下差异更为明显。与患者成纤维细胞不同，MICU2缺失并未影响神经元的静息线粒体钙水平，这可能与神经元具有更强的钙外排能力有关。

重要的是，在成年动物的皮质线粒体和突触体中，MICU2缺失并未显著影响钙摄取，这与MICU2在成熟大脑中的低表达一致。

MICU2缺失导致皮质神经元过度迁移和行为改变

为了探究增强的线粒体钙摄取对神经发育的影响，研究人员通过EdU标记研究了胚胎期神经元的迁移。结果发现，MICU2缺失导致更多的神经元停留在靠近脑室的区域(第2层)，而到达皮质板的神经元减少(第7层)，表明神经元出现了过度迁移。

在行为学测试中，2月龄的MICU2敲除小鼠在Barnes迷宫中需要更多时间找到逃生盒，但在12月龄时这种差异消失。旋转棒和抓力测试显示运动功能正常，而高架十字迷宫测试则发现年轻敲除小鼠表现出焦虑样行为。

研究结论与意义

这项研究确立了MICU2在神经系统发育中的关键作用，揭示了神经发育过程中线粒体钙信号的发育转换。MICU2通过调控mtCU的门控功能，防止发育期神经元线粒体钙超载，确保正常神经元迁移模式。MICU2缺失导致的神经元过度迁移和焦虑样行为，为理解MICU2无效突变患者神经发育障碍提供了机制基础。

该研究的创新点在于发现了MICU2在神经发育早期的特异性作用，以及其随大脑成熟被MICU3替代的动态变化规律。这一发育转换可能支持神经元向氧化磷酸化的代谢转变，满足脑细胞复杂的功能需求。研究结果不仅深化了对线粒体钙信号在神经发育中作用的理解，也为相关神经发育障碍的治疗策略提供了新思路。

需要注意的是，该研究主要基于C57BL/6NJ小鼠模型，向其他系统(包括人类)的转化需要进一步验证。此外，除行为实验和脑切片外，大多数数据来自体外实验，需要在体钙成像等进一步证实。尽管如此，这项工作无疑为神经发育生物学和线粒体医学领域做出了重要贡献。