作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2022/6/28 20:59:30
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9000果蝇大脑解剖,揭示神经元如何精准连接

 

大脑就像一个极其精密的通信网络。它们通过神经元之间的连接形成一个特定的环路,感知外部世界,并指挥着人和动物的行动。

科学家已经发现,人脑拥有大约860亿个神经元,每两个神经元之间都有数千个突触连接,总连接可以达到1014个,负责人脑不同区域的连接和行为。

“神经元之间建立精准连接对于人和其他动物的生存至关重要。一旦发生连接错误,形成神经发育障碍,就会产生智力障碍、自闭症谱系障碍等疾病。”斯坦福大学神经科学博士谢琦婧对《中国科学报》说。

那么,大脑神经元之间如何建立精准连接呢?在最近发表于《神经元》期刊的研究中,谢琦婧所在的斯坦福大学及霍华德·休斯医学研究所教授骆利群研究团队,通过解剖9000多个果蝇的大脑,证实了神经细胞的两种蛋白“里应外合”组队执行精准连接的密码。

“里应外合”“发号施令”

通过数十年的研究,科学家对大脑的主要蛋白质结构和突触传递的大致轮廓已经有了深入了解,一些分子会帮助不同类型的神经元在发育中将树突或轴突辐射到正确的区域,并与其他相对应的神经元建立特异性连接。

目前所知的这些分子大都属于两类蛋白:转录蛋白(或转录因子)和细胞表面蛋白。

转录因子位于细胞核内,被称为细胞命运的“中心指挥官”,决定着细胞的形态和功能;位于细胞膜表面的蛋白,则是命令的执行者。“科学家时常猜测,转录因子是通过控制细胞表面蛋白的表达,来控制神经元之间的精准连接。但却不清楚转录因子通过调节哪些细胞的表面蛋白来发号施令。”谢琦婧说。

在新研究中,研究者以嗅觉感知转录因子Acj6为例,展示了这个“中心指挥官”如何通过调节不同组合的细胞表面蛋白的表达,控制不同神经元类型的精准连接。谢琦婧和骆利群实验室博士李介夫为本文共同第一作者。

大约20年前,骆利群团队就发现Acj6可以控制一部分触觉投射神经元的精准连接。不过,当时由于缺少直接测量特定细胞群体表面蛋白表达的方法,无法进一步知晓Acj6以及其他转录因子如何通过细胞表面的蛋白质控制神经连接的特异性。

面对这一挑战,李介夫和合作者在2020年开发了一种可标记细胞表面蛋白的方法,可以使用质朴一来确定这些蛋白的“身份”。更关键的是,该技术可直接在完整果蝇大脑内对指定细胞类型的表面蛋白组进行高精度的生物素标记、富集和分析,使分析表面蛋白组与相应的神经元如何连接成为可能。

利用这种技术,研究人员在新研究中揭示了许多执行Ajc6命令的分子,首次通过实验证明了神经连接特异性是由组合编码控制的。“一位审稿人友善地告诉我们,这项研究比之前所有关于这个主题的论文加起来的信息还要多。”骆利群在接受媒体采访时说。

果蝇大脑寻找“密码”

结果令人欣喜,但发现过程并不简单。

“在不同神经元中,一个转录因子是通过调节相同、还是不同的细胞表面蛋白以指定它们的特异连接,这个问题过去并不清楚。为此,我们需要敲除或者不表达这些基因,观察其对嗅觉投射神经元的影响,看看是否仍然可以建立正确的连接。”谢琦婧解释。研究人员选择利用模式动物果蝇寻找其中的“密码”。果蝇的大脑看似很小,却有20万个神经元以及超越1000万个突触连接。确定其中一个细胞内某个特定蛋白的作用,其难度无异于海底捞针。

为了得到足够多的样品,谢琦婧在团队的帮助下耗费数月时间,解剖了不下9000只果蝇的大脑。在实验中,他们分别在野生型(存在Acj6)和突变体(丧失Acj6)中,对嗅觉投射神经元进行了表面蛋白组的定量分析,揭示了许多执行Acj6连接指示的分子。

有趣的是,除了细胞粘附分子外,他们还发现了一些传统上被认为只介导神经元功能的蛋白,如机械敏感离子通道Piezo,在确保精准的神经连接中同样起关键的调控作用。

去年,美国神经科学家Ardem Patapoutian曾因鉴定出哺乳动物中感受机械力的阳离子通道Piezo家族,并发现其在触觉、本体感知等方面的重要作用而获得诺贝尔生理学或医学奖。现在,新研究发现失去Piezo的突变体会导致神经元树突错误的靶向。“这个结果首次展示了Piezo独立于机械感觉离子通道的功能。”谢琦婧说。

为了建立Acj6与其调控的表面蛋白在树突靶向中的功能性联系,研究人员在投射神经元中特异性地敲除了该转录因子,又在这些神经元中特异性地表达了Acj6促进表达的表面蛋白。结果表明,在不同神经元类型中,Acj6通过调控不同组合的表面蛋白表达来指定这类神经元特异的靶向。

“这说明在不同的神经元类型中,转录因子这个‘中心指挥官’是通过控制不同组合的表面蛋白来完成指令,形成特异性的、非常灵敏的连接。这也揭示了为什么少量的神经元分子可以控制非常多不同的神经连接。”谢琦婧说。

更好地助力疾病防治

在这样研究中,作者还展示了神经元表面蛋白间的遗传相互作用模式:加法、减法和协同。

除了神经发育,他们表示,“转录因子—细胞表面蛋白—生理功能”这样的框架存在在一切涉及细胞与环境交流的生物学过程中。因此,这项研究也为未来研究转录因子功能与机理提出了一个新的策略和方法的原型。

“尽管小小的果蝇看起来跟人类有很大的不同,但它们的基因组和人类基因组实际上有着60%的同源性。”刚在企业就职的谢琦婧希望,通过这些基础研究,可以更好地了解人类以及其他动物的大脑以及如何生长发育,同时让人们了解哪些基因突变会带来疾病,从而更好地进行预防和治疗。

该研究中所采用的蛋白质组学技术也不仅适用于神经元,还可以很容易地扩展到其他应用方面。据介绍,李介夫正在霍华德休斯医学研究所珍尼亚研究园区组建自己的实验室,他希望“在那里将使用这些工具来研究免疫系统和癌症”。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.04.026

 
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