新技術(shù)可觀測到神經(jīng)突觸中的單個(gè)蛋白

我們的大腦包含數(shù)百萬個(gè)突觸-這些連接在神經(jīng)元之間傳遞信息。在這些突觸中有數(shù)百種不同的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)的功能障礙會導(dǎo)致精神分裂癥和自閉癥等疾病的發(fā)生。

最近，麻省理工學(xué)院以及哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種新方法，可以以高分辨率對這些突觸蛋白快速成像。使用熒光核酸探針，它們可以標(biāo)記和觀察無限數(shù)量的不同蛋白。在這項(xiàng)研究中，他們對含有數(shù)千個(gè)突觸的細(xì)胞樣本中的12種蛋白質(zhì)進(jìn)行了成像。

麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)副教授Mark Bathe說：“多重成像很重要，因?yàn)榧词乖谕淮竽X內(nèi)，突觸與細(xì)胞之間也有很大的差異。”

研究人員計(jì)劃在下一步使用這種技術(shù)來研究突觸，以及阻斷與特定疾病相關(guān)基因的表達(dá)時(shí)會發(fā)生什么，以期希望開發(fā)出可以逆轉(zhuǎn)這些效應(yīng)的新療法。相關(guān)研究發(fā)表最近的《nature communications》雜志上。

突觸蛋白具有多種功能。它們中的許多有助于形成突觸支架，這些支架與分泌神經(jīng)遞質(zhì)和處理傳入信號有關(guān)。雖然突觸包含數(shù)百種這些蛋白質(zhì)，但傳統(tǒng)的熒光顯微鏡技術(shù)**于一次最多成像四個(gè)蛋白質(zhì)。

為了增加蛋白質(zhì)的數(shù)量，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)基于一種稱為DNA PAINT的現(xiàn)有方法開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)。使用最初由馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所的Ralf Jungmann設(shè)計(jì)的這種方法，研究人員使用DNA抗體探針標(biāo)記了蛋白質(zhì)或其他感興趣的分子。然后，他們通過傳遞與DNA抗體探針結(jié)合的熒光DNA“寡核苷酸”使每種蛋白質(zhì)能夠被觀察到。

DNA鏈彼此之間固有的親和力很低，因此它們會定期結(jié)合和解除結(jié)合，可以使用超高分辨率顯微鏡對閃爍的熒光進(jìn)行成像。但是，對每種蛋白質(zhì)進(jìn)行成像大約需要半小時(shí)，因此無法對大型樣品中的許多蛋白質(zhì)進(jìn)行成像。

Bathe和他的同事著手創(chuàng)建一種更快的方法，使他們可以在短時(shí)間內(nèi)分析大量樣本。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們優(yōu)化了DNA探針，使其可以使用所謂的鎖定核酸與DNA抗體更緊密地結(jié)合。這樣會產(chǎn)生更亮的信號，因此可以更快地完成成像，但分辨率略低。

Bathe說：“當(dāng)我們在單個(gè)神經(jīng)元孔上進(jìn)行12或15種顏色處理時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)小時(shí)，而與之相比，此前的技術(shù)需要一整夜的時(shí)間。”

研究人員使用這種技術(shù)來標(biāo)記突觸中發(fā)現(xiàn)的12種不同蛋白質(zhì)，包括支架蛋白質(zhì)，與細(xì)胞骨架相關(guān)的蛋白質(zhì)以及已知標(biāo)記興奮性或抑制性突觸的蛋白質(zhì)。他們研究的蛋白質(zhì)之一是shank3，這是一種與自閉癥和精神分裂癥都有聯(lián)系的支架蛋白質(zhì)。

通過分析成千上萬個(gè)神經(jīng)元中蛋白質(zhì)的水平，研究人員能夠確定往往比其他蛋白質(zhì)更頻繁地相互關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)組，并了解它們所含蛋白質(zhì)中不同突觸的差異。此類信息可用于幫助將突觸分類為可能有助于揭示其功能的亞型。

研究人員還表明，他們可以測量河豚毒素（TTX）治療神經(jīng)元后發(fā)生的突觸蛋白水平的變化，這種化合物此前被證明可增強(qiáng)突觸連接。

“使用常規(guī)的免疫熒光法，通常可以從同一樣品中的三個(gè)或四個(gè)靶標(biāo)中提取信息，但是通過我們的技術(shù)，我們能夠?qū)⒃摂?shù)目擴(kuò)展到同一樣品中的12個(gè)不同靶標(biāo)。我們將這種方法應(yīng)用于檢查突觸重塑TTX治療后會發(fā)生的情況，我們的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了以前的工作，揭示了TTX治療后突觸蛋白的協(xié)同上調(diào)。”

研究人員現(xiàn)在正在使用這種稱為PRISM的技術(shù)來研究通過敲除與各種疾病相關(guān)的基因如何影響突觸的結(jié)構(gòu)和組成。 對自閉癥和精神分裂癥等疾病患者的基因組進(jìn)行測序后，發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種與疾病相關(guān)的遺傳變異，而對于大多數(shù)變異，科學(xué)家都不知道它們?nèi)绾螌?dǎo)致疾病。

Bathe說：“了解遺傳變異如何影響神經(jīng)元在大腦中的發(fā)育以及它們的突觸結(jié)構(gòu)和功能，是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。”