Abstract

Introducere

Am găsit serendipit în secțiunile de microscopie electronică de transmisie (TEM) din corpul calos de șobolan naiv (CC), o corelație puternică între grosimea învelișului de mielină și diametrul mitocondrial axonal. Astfel, am explorat în continuare această asociere ca o măsurare potențială valoroasă a interacțiunii strânse dintre grosimea învelișului de mielină și metabolismul energetic axonal. Prin urmare, această asociere a fost explorată în condiții fiziologice și a perturbat homeostazia mielinei. Am făcut acest lucru re-analizând atât imaginile TEM publicate, cât și cele originale, din diferite specii și tracturi ale SNC.

între

Materiale și metode

Analiza TEM

Grosimea mielinei se corelează cu diametrul axonal al mitocondriilor la rozătoare și macac în timpul homeostaziei. (a) Ilustrația unui axon mielinizat în secțiune transversală cu raportul G reprezentând diametrul axonal în raport cu diametrul axonului și al mielinei înconjurătoare. (b) Imagine reprezentativă TEM a corpului calos de șobolan (CC) cu raport G adnotat și mitocondrii axonale pseudo-colorate în violet (Scale-bar 1μm). (c) Rezumatul valorilor p care compară raportul homeostatic G (gradient roșu) și diametrul mitocondriilor (gradient violet) între toate speciile (șoareci (Ms), șobolan (Rt), macac (Mc) și uman (Hu)) .) Diametrul mitocondriilor homeostatice (μm) și raportul G la CC de șoarece (nanimale = 1 axoni ntotali = 49). (E) Diametrul mitocondriilor homeostatice (μm) și raportul G la CC șobolan (nanimale = 2, axoni ntotali = 61 ) (f) Diametrul homeostatic al mitocondriilor (μm) și raportul G în măduva spinării macacului (SC) (nanimale = 3, axoni ntotali = 72). (g) Diametrul homeostatic al mitocondriilor (μm) și raportul G în cortexul prefrontal al omului ( nsubjects = 3, ntotal axons = 32). Diametrul fiecărui punct de măsură indică raza interioară axonală în μm. Toate analizele de corelație au fost efectuate cu testul r al lui Pearson. Comparații multiple în (c) au fost efectuate utilizând un singur sens ANOVA.

În condițiile homeostatice, raportul G și diametrul mitocondriilor au variat între speciile evaluate (Fig. 1C). Cu toate acestea, raportul G și diametrul mitocondriilor s-au corelat la rozătoare, unde axonii CC și măduvei spinării (SC) cu învelișuri de mielină mai subțiri aveau mitocondrii axonale mai mari (Fig. 1D-E, Tabelul I). Corelația dintre învelișurile de mielină și diametrul axonal al mitocondriilor a fost păstrată în continuare la speciile superioare, demonstrată printr-o corelație similară în SC macac (Fig. 1F, Tabelul I) [25]. În cele din urmă, acest lucru a fost verificat și în țesutul post-mortem uman (Fig. 1G, Tabelul I) [18, 27]. Nu s-au găsit diferențe în numărul mitocondriilor în niciuna dintre speciile evaluate sau regiunile SNC (datele nu sunt prezentate).

Asocierea între grosimea mielinei și diametrul axonal al mitocondriilor în timpul de- și remielinizare

Demielinizarea și remielinizarea secvențială sunt evenimente stresante majore și metabolice pentru axon. Am evaluat astfel dacă mielina-axoni au fost capabili să mențină corelația pozitivă între diametrul axonal al mitocondriilor și raportul G în timpul de- și remielinizare. Cele două modele experimentale utilizate în mod obișnuit pentru a studia demielinizarea și utilizările ulterioare de remielinizare; cuprizona, un agent dietetic chelator de cupru și lizolecitina (LPC), un detergent injectat intraparenchimal [3, 14, 30].

La șoarecii cu leziuni LPC, raportul G a crescut în timpul remielinizării timpurii (d10 post injecție) comparativ cu remielinizarea avansată (d24 post injecție). O scădere similară a raportului G a fost observată în timpul demielinizării (5 săptămâni) comparativ cu remielinizarea timpurie (6 săptămâni) la șoarecii cu cuprizone (Fig. 2A). Concomitent, diametrul axonal al mitocondriilor a urmat aceeași scădere atunci când se compară punctele timpurii timpurii și cele ulterioare (Fig. 2B).

Corelația observată în timpul condițiilor homeostatice s-a pierdut în timpul demielinizării în ambele modele (Fig. 2C stânga, D stânga). Cu toate acestea, corelația a fost restabilită la momentele ulterioare, adică remielinizare avansată în LPC și remielinizare timpurie în cuprizonă (Fig. 2C dreapta, D dreapta).

Pentru a aborda opusul, adică dacă disfuncția mitocondriilor ar influența grosimea mielinei, am analizat mitocondriile axonale și raporturile G la șoareci cu mitocondrii disfuncționale. Șoarecii cu mutații Opa Mut +/+ sau Afg3L2 +/+ generează mitocondrii disfuncționale așa cum s-a descris anterior [6, 22, 28]. Analiza imaginilor TEM de la șoarecii Opa Mut +/+ sau Afg3L2 +/+ au afișat un diametru crescut al mitocondriilor comparativ cu tipurile sălbatice corespunzătoare din ambele tulpini (Opa Mut -/+ sau Afg3L2 -/-); cu toate acestea, diferența a fost semnificativă doar statistic la șoarecii Afg3L2 +/+ în comparație cu tipul lor sălbatic, dar nu la Opa Mut (p = 0,1665) (Fig. 3A, C). În mod curios, nici tulpina Opa Mut +/+ sau Afg3L2 +/+ nu au prezentat raporturi G reduse (Fig. 3A, C) și nu s-a văzut nicio corelație între raportul G și diametrul axonal al mitocondriilor la aceste tulpini cu disfuncție mitocondrială (Fig. 3C, E).

Opa Mut +/+ și Afg3L2 +/+ sunt mutanți pe tot corpul, astfel funcția mitocondriilor este probabil modificată în toate celulele, inclusiv oligodendrocite generatoare de mielină. Astfel, disfuncția mitocondrială în oligodendrocite ar putea fi responsabilă pentru lipsa observată a adaptării raportului G la disfuncția axonală a mitocondriilor. Pentru a aborda acest lucru, au fost evaluați șoareci cu mutații axonale specifice în proteina mitocondriei Mtf2 (denumită aici Ax: Mfn2) [2]. Totuși, similar cu tulpinile mutante ale întregului corp (Opa Mut +/+ și Afg3L2 +/+), mielina care înconjoară axonul nu a reușit să se adapteze în Ax: Mfn2 +/+ ca răspuns la mitocondriile axonale disfuncționale, lăsând astfel G- raport nemodificat comparativ cu tipul sălbatic (Ax: Mfn2 -/-) (Fig. 3A, D, E).

Pentru a verifica dacă, de asemenea, pierderea specifică oligodendrocitelor a funcției mitocondriilor ar putea interfera cu raportul G, au fost analizați șoareci care exprimă mtPstI sub promotorul Plp (denumit aici OL: mtPstI). OL: mtPstI, provocând ruperea ADN-ului mitocondriilor, a redus un raport G mai mare (adică o teacă de mielină mai subțire) (Fig. 3A, D). Cu toate acestea, OL: mtPstI nu a indicat nicio implicație asupra diametrului axonal al mitocondriilor din mitocondriile oligodendrocitare disfuncționale (p = 0,1430) [28]. De asemenea, s-a pierdut corelația dintre diametrul mitocondriilor și raportul G (Fig.3E). Luate împreună, datele noastre susțin ipoteza că mitocondriile axonale se pot adapta la pierderea integrității mielinei. Cu toate acestea, oligodendrocitele nu par să regleze raportul G într-o stare de mitocondrie axonală disfuncțională.

Discuţie

Axonul și mielina înconjurătoare au o relație strânsă, dar lipsește înțelegerea fundamentală a proceselor lor de reglare reciprocă. Am explorat aici interacțiunea dintre raportul G (adică grosimea învelișului de mielină) și diametrul axonal mitocondrial, adică cu cât învelișul de mielină care înconjoară un axon este mai subțire, cu atât diametrul axonal corespunzător este mai mare.

Interesant este faptul că am putea confirma o corelație puternică în diferite tracturi ale măduvei spinării și ale creierului, precum și între condimente, dar corelația s-a pierdut în timpul remielinizării timpurii și/sau timpurii. În cele din urmă, datele de la șoareci transgenici cu mielină disfuncțională sau mitocondrie sugerează că mitocondriile se adaptează la raportul G, dar nu și invers. Principala restricție a studiului nostru este prejudecata potențială de selecție cauzată de analiza parțială a cifrelor publicate tipărite. Cu toate acestea, principalele constatări au fost confirmate într-un material original suplimentar. Mai mult, descoperirile au fost solide atunci când au fost investigate diferite specii, tulpini mutante și regiuni SNC.

Există o corelație puternică între raportul G și diametrul axonal al mitocondriilor la toate speciile evaluate; rozătoare, primate neumane și oameni. În mod interesant, literatura actuală descrie discrepanțele în contribuția oligodendrocitelor care nu se divid în timpul remielinizării și protecției axonale, în funcție de specia evaluată [7, 8]. În această perspectivă, identificăm aici o caracteristică conservată, care ne poate ajuta în continuare să înțelegem diferențele și asemănările în starea axon-mielină dintre condiții și specii.

Mai mult, am arătat aici că corelația dintre foile de mielină mai subțiri și mitocondriile axonale mai mari este restabilită în timpul etapelor ulterioare de remielinizare în două modele utilizate frecvent de demielinizare toxică. În faza timpurie de remielinizare (zece zile după injecția LPC) sau în timpul fazei maxime de demielinizare (după 5 săptămâni de administrare cuprizonă) diametrul mitocondrial și raportul G nu au fost corelate. Corelația a fost, totuși, restabilită la remielinizare (24 de zile după injectarea LPC sau 1 săptămână după întreruperea administrării cuprizonei). Lipsa acestei corelații în timpul demielinizării sau remielinizării timpurii poate indica procese de adaptare axonală în curs. Evaluarea raportului G în corelație cu diametrul mitocondriilor indică astfel o citire valoroasă pentru a identifica remielinizarea avansată și restabilirea relației homeostatice între axon și mielina înconjurătoare. Comparativ cu măsurarea curentă, acest lucru reflectă mai bine echilibrul energetic axonal și ar putea fi folosit în plus față de citirile tradiționale la evaluarea remielinizării.

Lipsa adaptării mitocondriale imediat după LPC sau cuprizonă, dar observată la întreruperea genetică a mielinei în Plp.tg +/+ indică faptul că adaptarea mitocondrială nu este instantanee după pierderea mielinei. Acest lucru subliniază în continuare utilitatea corelației mitocondrie-mielină pentru a determina mai bine remielinizarea îndeplinită cu funcția metabolică stabilită. Pentru a aborda direcția de cauzalitate între raportul G și diametrul axonal al mitocondriilor, au fost reanalizate diferite tulpini transgenice, fie cu mielină disfuncțională, fie cu mitocondrii. Interesant este că mitocondriile axonale din Plp.tg +/+ hipo-mielinizat s-au adaptat la mielina subțire și au crescut în diametru, astfel Plp.tg +/+ a menținut corelația, dar cu un raport G mai mare și diametrul mitocondriilor, așa cum se observă în Plp.tg -/-. Creșterea diametrului mitocondrial ar putea fi o ajustare axonală pentru a compensa alimentarea insuficientă de energie axonală din teaca de mielină și/sau compensarea lipsei unei mielinizări suficiente pentru a menține funcția [11]. În plus, descoperirile noastre subliniază rolul oligodendrocitelor ca furnizori de suport metabolic pentru axonii izolați [11, 17].

Datele noastre indică în plus că raportul G nu pare să se adapteze la mitocondriile disfuncționale. Independent de natura disfuncției mitocondriilor, foile de mielină din jur au fost incapabile să-și regleze grosimea. Împreună, acest lucru indică faptul că învelișurile de mielină mai subțiri induc ajustarea diametrului axonal al mitocondriilor. Dar mielina care înconjoară axonul nu este capabilă să se adapteze la pierderea funcției mitocondriilor, care poate provoca epuizarea energiei axonale și pierderea vitezei axonale.

Concluzii

Datele noastre din diferite specii și regiuni ale SNC indică faptul că mitocondriile axonale par să-și ajusteze diametrul în funcție de grosimea învelișurilor de mielină care înconjoară axonul. Acest lucru subliniază în continuare o interacțiune strânsă și dinamică între axon și mielină. Această înțelegere îmbunătățită poate contribui la o mai bună înțelegere a modului de studiere a remielinizării în modele experimentale. De asemenea, pentru a deschide calea dezvoltării terapiilor remielinizante și/sau neuroprotectoare în tulburările de demielinizare, cum ar fi scleroza multiplă.

Conflict de interese

Autorii nu declară niciun conflict de interese

Finanțarea

KC a primit finanțare de la Erik și Edith Fernströms Stiftelse pentru Medicinsk Forskning Fermström stiftelsen. BVI au primit finanțare de la Swiss National Science Foundation.

Contribuția autorului

KC, BI și KZ au conceput studiul și au scris manuscrisul.

Confirmare

Îl recunoaștem pe Dr. Mark McLaughlin; Universitatea din Glasgow, Dr. Nathalie Bernard-Marissal; École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Dr, Roman Chrast; Institutul Karolinska și Dr. Jun Wang, Universitatea Fudan pentru că a oferit cu amabilitate imagini TEM.