为了搞懂神经元之间如何连接,科学家们竟然解剖了 9000 多个果蝇大脑?!
斯坦福大学神经生物学的大牛骆利群团队,真就干了这件事儿,其研究成果刊登在《Neuron》。
人的大脑就像是个极其精密复杂的通信网络。它拥有近 860 亿个神经元,他们之间有近一百万亿个连接(10 的 14 次方)。
神经元之间的精准连接,是所有神经系统功能的基础。人类也得以通过这些连接感知外部世界,并采取相应的行动。但要是中间出现差错,大脑就会宕机出 bug,严重者还会导致智力障碍、自闭症等疾病。
于是乎,为了搞懂背后的机制,这个团队前后花了 20 多年,还解剖了 9000 多个果蝇大脑。
前面提到,神经系统异常复杂。一个成年人的大脑会形成一百万亿次神经元连接;即便像果蝇这种简单的生物体,它的大脑中也有近 20 万神经元,形成一千万个连接。
时至今日,大脑主要蛋白质结构和突触连接机制已经揭示,主要发现了两种指导神经元布线的分子 ——
转录因子和细胞表面蛋白(CSP) 。
转录因子,作为指挥官,位于细胞核内,决定着细胞的形态和功能;而 CSP,则是通过与细胞环境相互作用来执行指令。
于是乎,科学家就推测,转录因子通过调节 CSP 表达来控制神经元的布线,即神经元之间的精准连接。
但过去,这种因果关系仅在少数孤立的案例中得到验证。而且据科学网报道,本次研究共同一作谢琦婧还表示,也不清楚转录因子是通过调节哪些细胞的表面蛋白来发号施令。
早在 20 年前,该团队就发现有种转录因子 —— 嗅觉感知因子 Acj6,可以控制一部分触觉投射神经元的精准连接,但缺少直接测定蛋白表达的方法。
而又在两年前,另一位共同一作李介夫解决了这一难题,他们开发了一种可标记细胞蛋白的方法,用定量质谱策略来鉴定蛋白质。
基于这种方法,以 Acj6 为对象,团队这次终于搞清楚了它是如何通过调节 CSP 的表达,来控制果蝇嗅觉投射神经元(PNs)的精确树突靶向的。
首先,他们首先在野生型和突变型中在 PNs 进行了细胞表面蛋白组定量分析。
并通过蛋白组信息遗传筛选,确定了许多执行 Acj6 连接指示的 PN 表面蛋白。
这些蛋白包括了典型的细胞粘附分子,以及以前没被发现有关的蛋白,如机械敏感离子通道 Piezo。
综合遗传分析显示,Acj6 在不同类型的 PN 中采用了独特的细胞表面蛋白集进行树突定向,而 Acj6 联合表达可以拯救 Acj6 突变体的表型,其效力和广度高于单个执行器的表达。
换言之,Acj6 通过表面蛋白的不同组合表达来控制不同神经元类型的布线特异性。
值得一提的是,据科学网报道,谢琦婧透露,为了得到足够多的样品,她在团队帮助下耗费数月时间,解剖了不下 9000 只果蝇的大脑。
除此之外,他们还展示了神经元表面蛋白间的遗传相互作用模式。
这篇论文来自是斯坦福大学神经生物学骆利群实验室。
共同一作分别两位博士谢琦婧和李介夫,唯一通讯作者为骆利群。
他 15 岁考入中科大少年班,毕业时已获得了郭沫若奖学金。毕业后他前往美国布兰迪斯大学生物系攻读博士,并在 UCS 做博士后研究。
1996 年,他在斯坦福生物系开设了实验室,研究成年人的神经回路是如何组织起来执行特定功能的,以及发育过程如何组装。
2012 年,他被双双评为美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士。他撰写的《神经生物学原理》被广泛用于世界各地的本科和研究生课程。
他曾担任 Neuron、eLife、Annual Review of Neuroscience、Cell、PNAS 等多个科学期刊的编委。
对于本次研究的意义,作者表示,为接下来研究转录因子功能与机理提出一个新策略和方法。一方面,可以更好了解人类以及其他动物大脑,如何生长发育;另一方面,也帮助人们了解哪些基因突变会带来疾病,从而进行预防和治疗。
论文链接:
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(22)00403-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627322004032%3Fshowall%3Dtrue#00403-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627322004032%3Fshowall%3Dtrue#)
参考链接:
[1]https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/6/481723.shtm
[2]https://profiles.stanford.edu/liqun-luo
[3]http://alumni.cas.cn/hwyy/202010/t20201022_4558612.html
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