I neuroni rinnovano i mitocondri generando mitocondri figli privi di DNA

Perché è importante: i neuroni dipendono dai mitocondri per la produzione di ATP, la sintesi dei lipidi e il tamponamento del calcio. I neuroni sensoriali dei gangli delle radici dorsali (DRG) estendono alcuni tra gli assoni più lunghi del corpo, fino a circa 1,5 metri nell'uomo. Il mantenimento del DNA mitocondriale (mtDNA) è strettamente legato alla salute dei mitocondri, e il declino dell'integrità mitocondriale è un tema centrale nell'invecchiamento e nella neurodegenerazione. Tuttavia, non era chiaro come il mtDNA venga replicato, espresso e distribuito nei neuriti a centinaia o migliaia di micron dal corpo cellulare.

Cosa è stato studiato: il gruppo ha utilizzato imaging ad alta risoluzione, in vivo e su campioni fissati, a livello del singolo mitocondrio in neuroni DRG di topo in coltura (identificati tramite un reporter tdTomato guidato da Pirt) e in larve di zebrafish vive. Nello zebrafish, i ricercatori hanno visualizzato gli assoni sensoriali della linea laterale posteriore con TFAM fluorescente (un marcatore dei nucleoidi) e POLG2 (una subunità della DNA polimerasi). Hanno mappato il mtDNA con SYBR Gold e con la colorazione per TFAM. Hanno misurato il potenziale di membrana con TMRE e l'ATP con Biotracker ATP, e hanno marcato il DNA e l'RNA neosintetizzati con EdU ed EU. Hanno visualizzato gli mRNA tramite FISH (Ndufs2, nucleare, e MT-ND1, codificato dal mtDNA) e marcato i nuovi peptidi tramite puromicilazione.

Risultati principali: i mitocondri del soma erano ricchi di mtDNA, ma il 49% dei mitocondri nei neuriti non presentava mtDNA rilevabile. La densità di mtDNA aumentava con la distanza dal soma e raggiungeva il picco a 40–80 micron, la stessa zona in cui la ramificazione dei neuriti è più frequente. I mitocondri mobili si muovevano in entrambe le direzioni, mentre i mitocondri contenenti mtDNA erano stabilmente posizionati ai punti di diramazione collaterale. Questi mitocondri dei punti di diramazione mostravano segnali di TMRE e del sensore dell'ATP più elevati rispetto agli altri mitocondri dello stesso neurite. Il TMRE diminuiva con rotenone o FCCP, indicando che il potenziale dipende dalla funzione del Complesso I. I mitocondri dei punti di diramazione erano inoltre arricchiti per la marcatura con EdU ed EU, sensibile all'inibizione di POLRMT: sintetizzano e trascrivono quindi attivamente il mtDNA. Gli mRNA di Ndufs2 e MT-ND1 colocalizzavano tra loro e con TOM20 ai punti di diramazione, e gli hotspot di peptidi nascenti marcati con puromicina si sovrapponevano ai mitocondri, anche ai punti di diramazione. Ciò suggerisce una biogenesi locale e coordinata del Complesso I. Il testo fornito si interrompe durante la sezione sui metodi dello zebrafish. Secondo l'abstract, il lavoro in vivo ha confermato questo posizionamento. L'abstract riporta inoltre che questi mitocondri si dividono in modo asimmetrico, generando figli altamente mobili privi di mtDNA, e che questa divisione ripristina il potenziale di membrana del mitocondrio parentale. I mitocondri assonali raramente si fondono o condividono il contenuto della matrice, il che spiegherebbe come i mitocondri figli mantengano composizioni distinte.

Implicazioni: i dati supportano un modello in cui i punti di diramazione dei neuriti ospitano mitocondri che si auto-rinnovano e sono dedicati alla biogenesi. Questi generano continuamente mitocondri privi di genoma che viaggiano lungo l'assone, così che la diversità mitocondriale segue la topologia del neurite. Ciò potrebbe aiutare a chiarire come insorgono le neuropatie periferiche, le malattie mitocondriali e il declino neuronale legato all'età quando il rinnovamento locale viene meno.

Limiti: si tratta di un preprint di bioRxiv, non ancora sottoposto a revisione paritaria. Il lavoro è stato condotto su neuroni di topo in coltura e su larve di zebrafish, senza dati umani né sull'invecchiamento. I risultati sulla divisione asimmetrica e sul ringiovanimento sono descritti qui solo a partire dall'abstract, poiché il testo completo fornito è troncato. Le conseguenze funzionali dell'interruzione di questo sistema non emergevano dal testo disponibile.