线粒体重塑对超量窄谱蓝光致视网膜神经节细胞损伤的影响和机制研究

Our previous studies showed that narrowband blue light can damage retinal ganglion cells (RGCs). The results of microarray and bioinformatical analysis suggested that excessive narrowband blue light regulated the expression of mitochondrial-relative genes in RGCs. Mitochondria is the center of energy metabolism regulation, and generation of reactive oxygen species (ROS) is an important medium for regulation of cellular events by mitochondria. Mitochondrial homeostasis is essential for RGCs normal function and activity. This study focus on the correlation of blue light sensitivity of RGCs and mitochondria and reveal the scientific hypothesis that excessive narrowband blue light induced RGCs damage involving in mitochondrial remodeling and mitochondrial ROS generation. Using the different differentiate phase and different state of RGC-5 cell model, this study will observe the molecular dynamics of mitochondrial energy metabolism, mitochondrial biogenesis, fusion/fission, and cristae remodeling. The interactions of narrowband blue light energy threshold, mitochondrial remodeling, mitochondrial ROS generation, and light damage of RGCs will also be investigated. This subject will verify the molecular mechanisms of regulation of mitochondrial remodeling by mitochondrial ROS and the participation in excessive narrowband blue light induced-RGCs damage. On this basis, this study will detail significance and mechanisms of these important molecular events, which is the relation between the mitochondrial remodeling, mitochondrial ROS generation and the injury of RGCs induced by excessive narrowband blue light.

课题组前期发现超量窄谱蓝光能特异性损伤视网膜神经节细胞(RGCs)。基因芯片和生物信息分析提示，超量窄谱蓝光可调节RGCs线粒体相关基因表达。线粒体是能量代谢调控中心，生成的活性氧是线粒体调控细胞事件的重要媒介，线粒体稳态是保障RGCs功能活性必要条件。本研究聚焦于其中“RGCs的蓝光敏感性与线粒体相关”这一独特视角，以“超量窄谱蓝光诱导下线粒体重塑和线粒体活性氧生成参与RGCs损伤”科学假设为依据，利用不同细胞状态、不同分化阶段的RGC-5细胞模型，精细研究线粒体能量代谢、生物合成、融合分裂、嵴重构等分子动力学，探讨窄谱蓝光能量阈值、线粒体重塑、线粒体活性氧生成、RGCs细胞损伤的互作规律，求证线粒体活性氧调控线粒体重塑和参与超量窄谱蓝光致RGCs损伤的分子机制，系统阐明线粒体重塑和线粒体活性氧生成的相关重要分子事件在超量窄谱蓝光致RGCs细胞损伤中的意义和作用机制。

线粒体是能量代谢调控中心，生成的活性氧是线粒体调控细胞事件的重要媒介，线粒体稳态是保障视网膜神经节细胞(RGCs)功能活性必要条件。本项目利用PKC抑制剂星形孢菌素，成功建立视网膜神经节细胞RGC-5细胞分化模型，细胞形态接近成熟神经元，表达RGCs特异性标志物。利用RNA-seq技术高通量检测分化前后细胞转录组，提示分化成熟的RGCs上调基因主要与细胞代谢和分化密切相关。确定不同细胞发育阶段下，RGCs的窄谱蓝光刺激的耐受时间和强度具有明显差异。长时程在蓝光暴露下，未分化和分化细胞活性均呈现时间依赖模式显著降低，出现细胞死亡。但分化的RGCs神经轴突明显缩短，依然可见有轴突状结构，胞体无明显改变。证实超量窄谱蓝光暴露下，分化的RGCs内线粒体含量增加、总ROS生成增加、线粒体生成ROS增加，细胞内氧化应激状态升高，参与蓝光暴露导致的视RGCs损伤。证实超量窄谱蓝光暴露可导致RGCs细胞能量代谢表型改变，线粒体功能障碍参与超量窄谱蓝光导致的RGCs损伤。分化的RGCs的基础能量供应以线粒体有氧呼吸为主。在超量窄谱蓝光刺激下，细胞的细胞能量代谢表型出现明显改变，整体从能量代谢活跃的象限向能量代谢静息的象限偏移，基础代谢和最大激发代谢情况都受到损伤。细胞有氧呼吸的基础值、最大激发值出现明显下降，有氧呼吸和糖酵解的代谢潜能都可代偿性增加。线粒体压力测试结果显示，在超量窄谱蓝光刺激下，分化的RGCs的线粒体基础呼吸值、被FCCP激发的最大有氧呼吸值、呼吸储备能力均出现明显下降，且损伤程度与蓝光暴露时长程正相关，表明细胞对环境的适应能力及进行高能量需求活动能力下降，同时，线粒体外的氧化反应也受到了抑制，用于产生ATP的耗氧量减少，反映线粒体的有氧呼吸受损。本项目系统阐明线粒体功能、线粒体活性氧生成的相关重要分子事件在超量窄谱蓝光致RGCs损伤中的意义和作用机制。