美国的研究人员已经设计出一种新的方法来清晰地显示突触中的蛋白质,他们希望这将有助于将来治疗与基因表达受阻有关的疾病。

我们的大脑包含数百万个突触,这些突触在神经元之间传递信息。在这些突触中有数百种不同的蛋白质,这些蛋白质的功能障碍会导致精神分裂症和自闭症等疾病。

麻省理工学院(mit)和哈佛大学博德研究所(broad institute of harvard)以及麻省理工学院(mit)的研究人员现在已经设计出一种新的方法,能够以高分辨率快速成像这些突触蛋白。使用荧光核酸探针,他们可以标记和成像任何数量的不同蛋白质。他们在一项新的研究中展示了这项技术,在含有数千个突触的细胞样本中成像了12种蛋白质。

 未标题-1.jpg

麻省理工学院生物工程副教授马克·巴思说:“多重成像很重要,因为突触和细胞之间的差异太大,即使在同一个大脑中也是如此。”“你真的需要同时观察样本中的蛋白质,以了解不同突触的亚群是什么样的,发现新的突触类型,并了解基因变异是如何影响它们的。”

研究人员计划利用这项技术来研究当突触阻断与特定疾病相关的基因表达时,突触会发生什么变化,以期开发出逆转这些影响的治疗方法。

 

DNA成像突触蛋白

突触蛋白具有多种功能。其中许多有助于形成突触支架,参与分泌神经递质和处理传入信号。虽然突触含有数百种蛋白质,但传统的荧光显微镜只能一次成像至多四种蛋白质。

为了增加这个数字,麻省理工学院的研究小组在一种叫做DNA涂料的方法的基础上开发了一种新技术。利用这种最初由拉尔夫·荣格曼设计的方法,研究人员用DNA抗体探针标记蛋白质或其他分子。然后,他们通过传递一种与DNA抗体探针结合的荧光DNA“寡糖”来成像每一种蛋白质。

DNA链彼此之间的亲和力本来就很低,因此它们周期性地结合和解开,产生闪烁的荧光,可以用超分辨率显微镜对他们进行成像。然而,每种蛋白质的成像大约需要半个小时,这使得在大样本中成像许多蛋白质变得不切实际。

巴思和他的同事着手建立一种新的快速的方法,使他们能够在短时间内分析大量样本。为了达到这一目的,他们改变了DNA染料成像探针,使其能够更紧密地与DNA抗体结合,使用锁定的核酸。这会产生更亮的信号,有助于更快的成像,但分辨率稍低。

“当我们在一个神经元孔上做12或15种颜色的实验时,整个实验需要一个小时,而对于超分辨率的等效物来说则需要一个晚上,”巴斯说。

研究人员利用这项技术标记了在突触中发现的12种不同蛋白质,包括支架蛋白、与细胞骨架相关的蛋白质以及已知的标记兴奋性或抑制性突触的蛋白质。他们研究的蛋白质之一是shank3,一种与自闭症和精神分裂症有关的支架蛋白。

通过分析数千个神经元中的蛋白质水平,研究人员能够确定比其他神经元更容易相互关联的蛋白质组,并了解它们所含蛋白质的不同突触是如何变化的。这类信息可用于帮助将突触分类为可能有助于揭示其功能的亚型。

“抑制性和兴奋性是典型的突触类型,但据推测,突触有许多不同的亚型”巴斯说。

 

了解疾病

研究人员还表明,他们可以测量神经元被一种名为河豚毒素(TTX)的化合物处理后,突触蛋白水平的变化,这种化合物可以加强突触连接。

麻省理工学院高级博士后Eric Danielson说“使用传统的免疫荧光,你通常可以从同一样本中的三个或四个目标中提取信息,但是通过我们的技术,我们能够在同一样本中将这个数字扩展到12个不同的目标。我们应用这种方法来研究TTX治疗后发生的突触重塑,我们的发现证实了先前的研究,即TTX治疗后突触蛋白协同上调。

研究人员现在正利用这项被称为棱镜的技术,研究敲除与各种疾病相关的基因对突触结构和组成的影响。对患有自闭症和精神分裂症等疾病的人的基因组进行测序,发现了数百种与疾病相关的基因变异,而对于这些变异中的大多数,科学家并不知道它们是如何导致疾病的。

“了解基因变异如何影响大脑神经元的发育,以及它们的突触结构和功能,是神经科学和理解这些疾病是如何产生的巨大挑战,”巴斯说。

这项研究的细节发表在《自然通讯》杂志上。

相关文章