线粒体动力学异常在百草枯致神经干细胞毒性中作用及机制

The regulatory dynamics of mitochondria comprises well orchestrated distribution and mitochondrial turnover to maintain the mitochondrial circuitry and homeostasis inside the cells. Several pieces of evidence suggested impaired mitochondrial dynamics and its association with the pathogenesis of neurodegenerative disorders. Paraquat (PQ) is a nonselective contact herbicide, which is used world-widely for its high efficiency and low residues in the crops. It has been extensively demonstrated that PQ is a major risk factor for Parkinson’s disease (PD) and a potentially developmental neurotoxicity. Therefore, the present study is designed to evaluate whether PQ can cause mitochondrial dynamics imbalance in neural stem cells (NSCs). Meanwhile, this study investigates a key protein, dynamin-related protein 1, which is responsible for mitochondrial fission after PQ exposure. Here, we also observe whether PQ-mediated increased apoptosis and inhibition of NSCs proliferation and differentiation were mitigated.

百草枯（Paraquat，PQ）作为一种除草剂应用非常广泛。百草枯暴露的神经毒性尤其是神经发育毒性逐渐引起关注。线粒体的分裂与融合调控着神经干细胞的增殖和分化。尽管目前的研究表明接触百草枯引起氧化应激可触发线粒体途径凋亡。然而关于百草枯对线粒体的动力学机制研究仍十分有限。本研究拟以离体细胞和在体动物模型，从线粒体分裂入手，从整体、细胞和分子水平，重点聚焦线粒体动力学中起重要作用的调节蛋白（Drp1），探讨百草枯对神经干细胞线粒体形态及线粒体动力学影响的调控机制，阐明线粒体动力学失衡在百草枯抑制神经祖细胞自我更新和定向分化毒性作用中的机制。项目的实施不仅可以为百草枯的神经发育毒性提供线粒体动力学损伤的证据，深入全面的阐述百草枯的神经发育毒性机制，更能为环境化学物所致的神经系统疾病预防和治疗提供靶点，为线粒体动力学失衡相关疾病的药物研发提供理论依据。

百草枯（Paraquat，PQ）作为一种除草剂应用非常广泛。百草枯暴露的神经毒性尤其是神经发育毒性逐渐引起关注。线粒体的分裂与融合调控着神经干细胞的增殖和分化。尽管目前的研究表明接触百草枯引起氧化应激可触发线粒体途径凋亡。然而关于百草枯对线粒体的动力学机制研究仍十分有限。本研究成功分离培养的新生 C57BL/6小鼠 SVZ区神经干细胞（mNSCs），观察了PQ处理对mNSCs增殖分化的影响。结果表明PQ处理通过氧化应激降低了细胞活力和DNA合成，促进了细胞凋亡，引起线粒体碎片化和线粒体自噬。我们进一步采用新技术单细胞测序和传统方法细胞免疫荧光分析均证实，体外培养的 mNSCs具有分化为神经元、少突胶质细 胞、星形胶质细等的潜能，PQ处理可抑制 mNSCs向神经元方向的分化，并增加其向星形胶质细胞方向的分化。PQ处理可引起分化后不同类型细胞的氧化应激基因表达升高和特异的基因表达改变。其中金属硫蛋白、核糖体蛋白基因以及铁重链等基因的表达在多种细胞中一致性上升。同时，PQ处理可影响分化后细胞中的多条信号通路，PQ处理后矿物质吸收通路、核糖体路、p53信号通路在多种细胞类型中一致上调。免疫荧光和 Western blot实验表明PQ处理可呈剂量依赖降低分化后的MAP2+细胞比例以及MAP2蛋白表达，再次证实 PQ处理可阻碍 mNSCs向神经元方的分化。进一步观察到PQ可能是通过增加细胞内以及线粒体ROS水平，促使细胞内线粒体碎片化，从而影响 mNSCs的分化趋势。这些结果为阐述百草枯的神经毒性作用机制提供了初步的科学证据。