研究將神經(jīng)基因表達(dá)差異與功能差異聯(lián)系起來

弄清楚數(shù)百種不同類型的腦細(xì)胞如何從數(shù)千種基因的獨(dú)特表達(dá)中發(fā)育而來，不僅可以增進(jìn)對(duì)大腦在健康狀態(tài)下如何運(yùn)作的理解，而且還能加深對(duì)疾病中出現(xiàn)問題的理解。麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究精確地探索了果蠅兩種神經(jīng)元類型的這種“分子邏輯”，結(jié)果表明，即使是相似的細(xì)胞也會(huì)推動(dòng)和拉動(dòng)許多杠桿來開發(fā)不同的功能。

在Neuron的研究中，Picower 學(xué)習(xí)與記憶研究所的一組神經(jīng)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這兩種密切相關(guān)的神經(jīng)元亞型在表達(dá) 800 多個(gè)基因(約占神經(jīng)元編碼基因總數(shù)的 5%)的方式上存在差異。果蠅基因組。通過操縱表達(dá)差異最顯著的基因，科學(xué)家們能夠展示它們?nèi)绾卧诩?xì)胞之間產(chǎn)生一些可觀察到的差異。

該研究的資深作者、麻省理工學(xué)院生物系、腦與認(rèn)知科學(xué)系 Menicon 神經(jīng)科學(xué)教授特洛伊·利特爾頓 (Troy Littleton) 表示：“神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域正在全球范圍內(nèi)努力識(shí)別所有不同類型的神經(jīng)元，以定義其獨(dú)特的特性及其基因表達(dá)譜。” “這些信息可以用作研究新發(fā)現(xiàn)的疾病基因如何映射到那些特定神經(jīng)元的工具包，以表明哪些神經(jīng)元可能在特定的大腦疾病中受到最嚴(yán)重的影響。”

“我們想用果蠅作為一種方法，看看我們實(shí)際上是否可以確定兩個(gè)相似神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄組如何差異化地用于了解哪些關(guān)鍵基因指定了它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特性。”

顯微鏡下

研究中比較的兩種神經(jīng)元類型都來自蒼蠅的脊髓，通過在稱為突觸的連接處釋放神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸來控制肌肉。這些神經(jīng)元的主要功能差異在于，“階段性”神經(jīng)元連接到許多肌肉并偶爾釋放出大量的谷氨酸，而“補(bǔ)給性”神經(jīng)元每個(gè)只連接到一塊肌肉并提供更多的化學(xué)物質(zhì)的持續(xù)滴注。這種二元性也存在于人腦神經(jīng)元中，提供了靈活的控制范圍。

Picower 研究所博士后 Suresh Jetti 領(lǐng)導(dǎo)了 Littleton 實(shí)驗(yàn)室的工作，以確定這兩個(gè)神經(jīng)元如何產(chǎn)生差異。研究小組首先對(duì)這兩種細(xì)胞類型在形式和功能上的差異進(jìn)行了異常深入的表征，然后對(duì)基因表達(dá)譜或轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了高度精確的觀察。

經(jīng)過仔細(xì)檢查，強(qiáng)直細(xì)胞和時(shí)相細(xì)胞表現(xiàn)出多種重要的差異。相位神經(jīng)元在單塊肌肉上產(chǎn)生的突觸比強(qiáng)直神經(jīng)元少，但由于它們支配更多的肌肉，因此相位神經(jīng)元必須產(chǎn)生大約四倍的突觸總數(shù)。由于樹突(通向細(xì)胞的分支)的范圍更廣，強(qiáng)直神經(jīng)元從其他神經(jīng)元獲得了更多的輸入。

在輸出方面，相位神經(jīng)元在受到刺激時(shí)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)大的信號(hào)，并且比強(qiáng)直神經(jīng)元更有可能發(fā)送信號(hào)。分析表明，促進(jìn)谷氨酸釋放的突觸位點(diǎn)(稱為活性區(qū)(AZ))在階段性神經(jīng)元中比強(qiáng)直性神經(jīng)元 吸收更多的鈣離子。

一個(gè)特別新且有趣的發(fā)現(xiàn)是，強(qiáng)直神經(jīng)元和相位神經(jīng)元中的 AZ 呈現(xiàn)不同的形狀。強(qiáng)直 AZ 是圓形的，就像甜甜圈一樣，而相位 AZ 則更呈三角形或星形。利特爾頓推測，這種差異可能會(huì)讓更多的鈣離子涌入階段性活動(dòng)區(qū)，這或許可以解釋與強(qiáng)直性神經(jīng)元相比，它們會(huì)釋放更多的谷氨酸。

表達(dá)他們的差異

為了評(píng)估基因表達(dá)，Jetti 采用了一種名為“isoform patchseq”的技術(shù)，他在數(shù)百只果蠅中鑒定出了完全相同的強(qiáng)直和相位神經(jīng)元，并從它們各自的細(xì)胞核和細(xì)胞體中提取了 RNA。Littleton 說，這項(xiàng)技術(shù)雖然非常辛苦，但為團(tuán)隊(duì)提供了異常豐富的轉(zhuǎn)錄組信息，這些信息來自精確的感興趣的細(xì)胞，不僅包括兩種細(xì)胞類型之間基因表達(dá)的差異，還包括基因剪接和 RNA 編輯的差異是不同的。

總之，兩種神經(jīng)元類型之間 822 個(gè)基因的表達(dá)存在顯著差異。已知大約 35 個(gè)基因有助于引導(dǎo)軸突分支的生長，神經(jīng)元通過延伸軸突分支來與肌肉建立聯(lián)系，這一系列差異解釋了為什么強(qiáng)直神經(jīng)元只支配一塊肌肉，而階段性神經(jīng)元卻支配多塊肌肉。

其他差異表達(dá)基因與突觸的結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)，而其他 20 多個(gè)基因表明每個(gè)神經(jīng)元對(duì)輸入敏感的神經(jīng)調(diào)節(jié)化學(xué)物質(zhì)存在差異。

研究小組發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在階段性神經(jīng)元中表達(dá)更為顯著，這或許可以解釋它們?nèi)绾螡M足在許多肌肉中形成更多突觸的更大需求。研究小組還發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)直性神經(jīng)元表達(dá)“唾液酸化”基因，將糖附著在突觸膜上的蛋白質(zhì)上，而階段性神經(jīng)元表達(dá)獨(dú)特的“泛素”基因，可以分解蛋白質(zhì)。

在記錄了哪些基因最顯著的不同后，研究小組開始通過破壞它們的功能并觀察其如何影響細(xì)胞來確定它們的作用。

例如，杰蒂、利特爾頓和同事發(fā)現(xiàn)，干擾特定的泛素化基因會(huì)導(dǎo)致階段性神經(jīng)元突觸過度生長。與此同時(shí)，破壞唾液酸化會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)直神經(jīng)元突觸生長不足。強(qiáng)直神經(jīng)元還表達(dá)了 40 倍多的一種名為 Wnt4 的基因，破壞 Wnt4 會(huì)減少該神經(jīng)元群中突觸的生長。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，相位神經(jīng)元表達(dá)的鈣離子緩沖基因比強(qiáng)直神經(jīng)元多 30 倍。當(dāng)他們突變?cè)摶蛞云茐钠涔δ軙r(shí)，他們發(fā)現(xiàn)通常具有較低基線鈣水平的相位神經(jīng)元現(xiàn)在表現(xiàn)出與強(qiáng)直神經(jīng)元類似的較高靜息鈣水平。

在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們表明可以通過干擾每個(gè)神經(jīng)元表達(dá)特別高的細(xì)胞骨架基因來明顯破壞每個(gè)細(xì)胞的 AZ 形狀。當(dāng)研究小組減少相位神經(jīng)元大量表達(dá)的基因時(shí)，它們的 AZ 變長，但強(qiáng)直 AZ 不受影響。當(dāng)研究小組減少相位神經(jīng)元高度表達(dá)的基因時(shí)，它們的 AZ 變得不那么圓，但不會(huì)影響相位細(xì)胞中的 AZ。

總而言之，該分析使研究小組能夠開始構(gòu)建使兩個(gè)細(xì)胞不同的分子差異模型，盡管利特爾頓表示，他們?nèi)匀恍枰龈嗟墓ぷ鱽砹私饣虮磉_(dá)差異的全部內(nèi)容如何定義兩個(gè)神經(jīng)元的獨(dú)特屬性。亞型。

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