麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種技術(shù)，使他們能夠快速成像突觸中的許多不同蛋白質(zhì)。右下角是其他圖像的合成。
我們的大腦包含數(shù)百萬個(gè)突觸，這些突觸在神經(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(huì)導(dǎo)致精神分裂癥和自閉癥等疾病。
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，可以以高分辨率快速成像這些突觸蛋白。使用熒光核酸探針，它們可以標(biāo)記和成像無限數(shù)量的不同蛋白質(zhì)。他們?cè)谝豁?xiàng)新研究中證明了該技術(shù)，在該研究中他們對(duì)包含數(shù)千個(gè)突觸的細(xì)胞樣品中的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)副教授馬克·巴特說：“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。” “您確實(shí)需要同時(shí)查看樣品中的蛋白質(zhì)，以了解不同突觸的亞群是什么樣，發(fā)現(xiàn)新型突觸，并了解遺傳變異如何影響它們。”
研究人員計(jì)劃在下一步使用這種技術(shù)來研究突觸在阻斷與特定疾病相關(guān)基因的表達(dá)時(shí)會(huì)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。
博德研究所斯坦利精神病學(xué)研究中心的轉(zhuǎn)化研究主管Bathe和Jeff Cottrell是該研究的資深作者，該研究今天發(fā)表在《自然通訊》上。該論文的主要作者是前博士后Syuan-Ming Ming和Remi Veneziano，前研究生Simon Simon Gordonov，以及前研究科學(xué)家Li Li。
DNA成像
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(hào)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)僅限于一次最多成像四個(gè)蛋白質(zhì)。
為了增加這個(gè)數(shù)字，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)研究所的拉爾夫·榮格曼（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)成像。
DNA鏈彼此之間固有的親和力很低，因此它們會(huì)定期結(jié)合和解除結(jié)合，可以使用超高分辨率顯微鏡對(duì)閃爍的熒光進(jìn)行成像。但是，對(duì)每種蛋白質(zhì)進(jìn)行成像大約需要半小時(shí)，因此無法對(duì)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)，他們改變了DNA染料成像探針，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(huì)產(chǎn)生更亮的信號(hào)，因此可以更快地完成成像，但分辨率略低。
Bathe說：“當(dāng)我們?cè)趩蝹€(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，整夜需要一整夜?！?/p>
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)，包括腳手架蛋白質(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?！耙种菩院团d奮性是典型的突觸類型，但據(jù)推測，突觸有許多不同的亞型，關(guān)于它們是什么沒有真正的共識(shí)，” Bathe說。
了解該疾病
研究人員還表明，他們可以測量神經(jīng)元用稱為河豚毒素（TTX）的化合物治療神經(jīng)元后發(fā)生的突觸蛋白水平的變化，這種化合物可增強(qiáng)突觸連接。
“使用常規(guī)的免疫熒光法，您通?？梢詮耐粯悠分械娜齻€(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)量擴(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(huì)發(fā)生這種情況，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)，”該研究的作者，麻省理工學(xué)院高級(jí)博士后埃里克·丹尼爾森（Eric Danielson）說。
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(duì)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(duì)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)和理解這些疾病如何產(chǎn)生的巨大挑戰(zhàn)?！?a target="_blank" >#清風(fēng)計(jì)劃# #健康真探社#
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