Міксохондрії аксонів у всіх видів регулюються в діаметрі залежно від товщини навколишнього мієліну

Анотація

Вступ

Ми випадково виявили на ділянках просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ) з наївного мозолистого тіла щурів (CC) сильну кореляцію між товщиною мієлінової оболонки та діаметром аксональних мітохондрій. Таким чином, ми далі вивчали цю асоціацію як потенційне цінне вимірювання тісної взаємодії між товщиною мієлінової оболонки та метаболізмом енергії аксонів. Тому ця асоціація була додатково досліджена у фізіологічних умовах і порушила гомеостаз мієліну. Ми зробили це, повторно проаналізувавши опубліковані та оригінальні зображення ТЕМ від різних видів та трактів ЦНС.

аксонів

Матеріали і методи

TEM-аналіз

Товщина мієліну корелює з діаметром аксональних мітохондрій у гризунів та макаки під час гомеостазу. (а) Ілюстрація мієлінованого аксона в поперечному перерізі із коефіцієнтом G, що представляє діаметр аксонів щодо діаметра як аксона, так і навколишнього мієліну. (b) Репрезентативне ТЕМ-зображення мозолистого тіла щура (CC) з анотованим G-співвідношенням та псевдофарбованими аксональними мітохондріями у фіолетовий колір (шкала 1 мкм). (c) Короткий зміст р-значень, що порівнює гомеостатичний коефіцієнт G (червоний градієнт) та діаметр мітохондрій (фіолетовий градієнт) між усіма видами (миша (Ms), щур (Rt), макака (Mc) та людина (Hu). (d ) Діаметр гомеостатичних мітохондрій (мкм) і G-співвідношення в CC миші (нанімалі = 1 н. В сукупності аксонів = 49). (E) Гомеостатичні діаметр мітохондрій (мкм) і G-співвідношення у CC щурів (нанімальних = 2, ntotal аксонів = 61) (f) Діаметр гомеостатичних мітохондрій (мкм) та G-співвідношення в спинному мозку макаки (SC) (тварини = 3, загальна кількість аксонів = 72). (g) Діаметр гомеостатичних мітохондрій (μm) та G-співвідношення в префронтальній корі людини (суб'єкти) = 3, загальна кількість аксонів = 32). Діаметр кожної точки виміру вказує на внутрішній радіус аксона в мкм. Усі кореляційні аналізи проводили за допомогою тесту р Пірсона. Кілька порівнянь у (c) проводили за допомогою одностороннього ANOVA.

Під час гомеостатичних умов співвідношення G та діаметр мітохондрій різнились серед оцінюваних видів (рис. 1С). Однак G-співвідношення та діаметр мітохондрій корелювали у гризунів, де аксони CC та спинного мозку (SC) з більш тонкими мієліновими оболонками мали більші аксональні мітохондрії (рис. 1D-E, таблиця I). Кореляція між оболонками мієліну та діаметром аксональних мітохондрій в подальшому зберігалася у вищих видів, продемонструвавши подібну кореляцію у SC макаки (рис. 1F, таблиця I) [25]. Нарешті, це також було перевірено в патологоанатомічній тканині людини (рис. 1G, таблиця I) [18, 27]. Не виявлено відмінностей у кількості мітохондрій в жодному з оцінюваних видів або регіонів ЦНС (дані не наведені).

Зв'язок між товщиною мієліну та діаметром аксональних мітохондрій під час де- та ремієлінізації

Демієлінізація та послідовна ремієлінізація є головними і метаболічними стресовими подіями для аксона. Таким чином, ми оцінили, чи здатні мієлінові аксони підтримувати позитивну кореляцію між діаметром аксональних мітохондрій та G-співвідношенням під час де- та ремієлінізації. Дві загальновживані експериментальні моделі для вивчення демієлінізації та подальшого використання ремієлінізації; купризон, дієтичний хелатуючий засіб з міді, та лізолецитин (LPC), інтрапаренхімально введений миючий засіб [3, 14, 30].

У мишей, ушкоджених LPC, коефіцієнт G був збільшений під час ранньої ремієлінізації (d10 після ін’єкції) порівняно з просунутою ремієлінізацією (d24 після ін’єкції). Подібне зниження G-співвідношення спостерігалося під час демієлінізації (5 тижнів) порівняно з ранньою ремієлінізацією (6 тижнів) у мишей, що годували купризоном (рис. 2А). Одночасно діаметр аксональних мітохондрій спостерігався за тим самим зменшенням при порівнянні ранніх та пізніших часових точок (рис. 2Б).

Кореляція, яка спостерігалася під час гомеостатичних умов, була втрачена під час демієлінізації в обох моделях (рис. 2C зліва, D зліва). Однак кореляція була відновлена ​​в пізніші моменти часу, тобто прогресивна ремієлінізація в LPC та рання ремієлінізація в купризоні (рис. 2C праворуч, D праворуч).

Щоб вирішити протилежне, тобто чи впливатиме дисфункція мітохондрій на товщину мієліну, ми проаналізували аксональні мітохондрії та G-співвідношення у мишей з дисфункціональними мітохондріями. Миші з мутаціями Opa Mut +/+ або Afg3L2 +/+ генерують дисфункціональні мітохондрії, як описано раніше [6, 22, 28]. Аналіз зображень ПЕМ від мишей Opa Mut +/+ або Afg3L2 +/+ показав збільшений діаметр мітохондрій порівняно з відповідними дикими типами обох штамів (Opa Mut -/+ або Afg3L2 -/-); однак, різниця була лише статистично значущою у мишей Afg3L2 +/+ порівняно з їх диким типом, але не у Opa Mut (p = 0,1658) (рис. 3А, С). Що цікаво, ні штам Opa Mut +/+, ні Afg3L2 +/+ не продемонстрували знижених G-співвідношень (рис. 3A, C), і не було виявлено кореляції між G-співвідношенням та діаметром аксональних мітохондрій у цих штамів з мітохондріальною дисфункцією (рис. 3C, E).