Metformin Restores Mitochondrial Function and Neurogenesis in POLG Patient‐Derived Brain Organoids

生物 线粒体 神经发生 线粒体DNA 细胞生物学 神经退行性变 DNAJA3公司 转录组 二甲双胍 诱导多能干细胞 柠檬酸循环 线粒体融合 氧化应激 代谢组 加巴能 类有机物 神经干细胞 安普克 代谢组学 氧化磷酸化 功能(生物学) 柠檬酸合酶 线粒体内膜 品脱1
作者
Zhuoyuan Zhang,Tsering Yangzom,Ning Lü,Shenglong Deng,Xianglu Xiao,Guang Yang,Kristina Xiao Liang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:13 (4): e17721-e17721
标识
DOI:10.1002/advs.202417721
摘要

Mitochondrial dysfunction and impaired neurogenesis are central to mitochondrial DNA polymerase (POLG)-related disorders, yet therapeutic options remain limited. Here, patient-derived induced pluripotent stem cell (iPSC)-based cortical organoids are used to model POLG-associated neurodegeneration and assess the therapeutic potential of metformin. Single-cell RNA-seq reveals distinct vulnerabilities in dopaminergic, glutamatergic, and GABAergic neuronal subtypes, with dopaminergic neurons exhibiting the most severe loss and mitochondrial transcriptomic deficits. Metformin treatment (250 µm, 2 months) significantly restores neuronal identity, subtype-specific gene expression, and mitochondrial function. Functional assays demonstrate improved mitochondrial membrane potential (TMRE), increased mitochondrial mass (MTG, MTDR), and reduced oxidative stress (MitoSOX, BAX/cleaved caspase 3). Notably, mitochondrial DNA (mtDNA) copy number and the expression of mitochondrial replisome proteins (POLG, POLG2) are upregulated, indicating enhanced mitochondrial genome maintenance. Calcium measurement confirms improved neuronal excitability. Untargeted metabolomics further reveals metformin-induced metabolic reprogramming, including enrichment of the tricarboxylic acid (TCA) cycle, amino acid metabolism, and redox-related pathways. Together, these findings demonstrate that metformin enhances mitochondrial integrity and neural function across multiple neuronal subtypes and offer mechanistic insights into its potential as a treatment for POLG-related disorders.
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