研究將神經(jīng)基因表達差異與功能差異聯(lián)系起來

弄清楚數(shù)百種不同類型的腦細胞如何從數(shù)千種基因的獨特表達中發(fā)育而來，不僅可以增進對大腦在健康狀態(tài)下如何運作的理解，而且還能加深對疾病中出現(xiàn)問題的理解。麻省理工學院的一項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”，結果表明，即使是相似的細胞也會推動和拉動許多杠桿來開發(fā)不同的功能。

在Neuron的研究中，Picower 學習與記憶研究所的一組神經(jīng)生物學家發(fā)現(xiàn)，這兩種密切相關的神經(jīng)元亞型在表達 800 多個基因(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。通過操縱表達差異最顯著的基因，科學家們能夠展示它們?nèi)绾卧诩毎g產(chǎn)生一些可觀察到的差異。

該研究的資深作者、麻省理工學院生物系、腦與認知科學系 Menicon 神經(jīng)科學教授特洛伊·利特爾頓 (Troy Littleton) 表示：“神經(jīng)科學領域正在全球范圍內(nèi)努力識別所有不同類型的神經(jīng)元，以定義其獨特的特性及其基因表達譜。” “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重的影響。”

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

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“補給性”神經(jīng)元每個只連接到一塊肌肉并提供更多的化學物質(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 領導了 Littleton 實驗室的工作，以確定這兩個神經(jīng)元如何產(chǎn)生差異。研究小組首先對這兩種細胞類型在形式和功能上的差異進行了異常深入的表征，然后對基因表達譜或轉(zhuǎn)錄組進行了高度精確的觀察。

經(jīng)過仔細檢查，強直細胞和時相細胞表現(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(通向細胞的分支)的范圍更廣，強直神經(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)元在受到刺激時會產(chǎn)生更強大的信號，并且比強直神經(jīng)元更有可能發(fā)送信號。分析表明，促進谷氨酸釋放的突觸位點(稱為活性區(qū)(AZ))在階段性神經(jīng)元中比強直性神經(jīng)元 吸收更多的鈣離子。

一個特別新且有趣的發(fā)現(xiàn)是，強直神經(jīng)元和相位神經(jīng)元中的 AZ 呈現(xiàn)不同的形狀。強直 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，這種差異可能會讓更多的鈣離子涌入階段性活動區(qū)，這或許可以解釋與強直性神經(jīng)元相比，它們會釋放更多的谷氨酸。

表達他們的差異

為了評估基因表達，Jetti 采用了一種名為“isoform patchseq”的技術，他在數(shù)百只果蠅中鑒定出了完全相同的強直和相位神經(jīng)元，并從它們各自的細胞核和細胞體中提取了 RNA。Littleton 說，這項技術雖然非常辛苦，但為團隊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胞，不僅包括兩種細胞類型之間基因表達的差異，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 個基因的表達存在顯著差異。已知大約 35 個基因有助于引導軸突分支的生長，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。

其他差異表達基因與突觸的結構和功能相關，而其他 20 多個基因表明每個神經(jīng)元對輸入敏感的神經(jīng)調(diào)節(jié)化學物質(zhì)存在差異。

研究小組發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)運蛋白在階段性神經(jīng)元中表達更為顯著，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)，強直性神經(jīng)元表達“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)元表達獨特的“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導致階段性神經(jīng)元突觸過度生長。與此同時，破壞唾液酸化會導致強直神經(jīng)元突觸生長不足。強直神經(jīng)元還表達了 40 倍多的一種名為 Wnt4 的基因，破壞 Wnt4 會減少該神經(jīng)元群中突觸的生長。

科學家們還發(fā)現(xiàn)，相位神經(jīng)元表達的鈣離子緩沖基因比強直神經(jīng)元多 30 倍。當他們突變該基因以破壞其功能時，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)出與強直神經(jīng)元類似的較高靜息鈣水平。

在另一項實驗中，他們表明可以通過干擾每個神經(jīng)元表達特別高的細胞骨架基因來明顯破壞每個細胞的 AZ 形狀。當研究小組減少相位神經(jīng)元大量表達的基因時，它們的 AZ 變長，但強直 AZ 不受影響。當研究小組減少相位神經(jīng)元高度表達的基因時，它們的 AZ 變得不那么圓，但不會影響相位細胞中的 AZ。

總而言之，該分析使研究小組能夠開始構建使兩個細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_差異的全部內(nèi)容如何定義兩個神經(jīng)元的獨特屬性。亞型。

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