Evidence for the Drp1-dependent Mitochondrial Fission in the Axon of the Rat Cerebral Cortex Neurons

Neurons utilize a large quantity of energy for their survival and function, and thereby require active mitochondrial function. Mitochondrial morphology shows dynamic changes, depending on the cellular condition, and mitochondrial dynamics are required for neuronal development and function. In this study, we found that the length of mitochondria in the distal axon is significantly shorter than that of mitochondria in dendrites or proximal axons of cerebral cortical neurons, and the reason for this difference is the local fission within the axon. We also found that suppression of Drp1, a key regulator of mitochondrial fission, resulted in significant elongation of mitochondria in axons. Collectively, these results suggest that local mitochondrial fission within the axon contributes to region-dependent mitochondrial length differences in the axons of cortical neurons.

흰쥐 대뇌 피질 신경세포의 축삭에서 Drp1 의존적 미토콘드리아의 분열

신경세포는 생존 및 정상적인 기능을 위하여 다량의 에너지를 소비하므로, 미토콘드리아의 기능이 매우 중요하다. 미토콘드리아는 신경세포 내에서 신경돌기를 따라 이동하기도 하고, 세포내 여러 상황에 따라 접합과 절단을 반복하면서 그 분포와 형태가 역동적으로 변화한다. 역동적인 미토콘드리아의 형태 변화는 주로 GTPase 단백질인 Dynamin-related protein-1 (Drp1)에 의한 절단에 의해 조절되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 중추신경계 신경세포에서의 미토콘드리아 분포 및 형태 변화 조절에 대해서는 비교적 연구가 미흡한 실정이다. 이 연구의 저자들은 미토콘드리아에 선택적으로 표적화되는 DsRed-mito 플라스미드를 일차 배양한 대뇌겉질 신경세포에 유전자 도입하여, 가지돌기 및 축삭에 분포하는 미토콘드리아의 길이와 역동성을 분석하였다. 흥미롭게도, 축삭 말단 부위에 분포하는 미토콘드리아의 길이가 세포체 근처의 축삭에 분포하는 미토콘드리아에 비하여 유의미하게 짧았다. 또한 Drp1 단백질이 가지돌기와 축삭에 다량 분포하며, 형광현미경하에서 이뤄진 실시간 촬영을 통해 축삭내에서 미토콘드리아의 절단이 활발하게 나타나는 것을 관찰하였다. 이를 통해, 축삭 말단 미토콘드리아의 길이 감소는 축삭 내 분포하는 Drp1 단백질의 활성에 의한 것으로 생각할 수 있었다. 위 가설을 검증하기 위하여, Drp1의 우성음성돌연변이 단백질을 신경세포에 유전자 도입하여 내재적 Drp1의 활성을 억제한 결과, 축삭 내 미토콘드리아 길이의 유의미한 증가가 관찰되었다. 이러한 결과들을 종합할 때, 대뇌겉질 신경세포에서 미토콘드리아의 절단은 축삭 내에서 지엽적으로도 진행되며, 이에 의하여 축삭내 위치에 따른 미토콘드리아의 길이 변화가 조절되는 것으로 생각되었다.