Nat Neurosci：揭示人脑中突触后树突棘的蛋白组成

2021年7月10日讯/生物谷BIOON/---树突棘（dendritic spine）是从脑细胞的树突中出现的小的膜状突起，有助于向神经元传输电信号。树突棘可以有各种不同的形状，从所谓的“粗短状（stubby）”到 “蘑菇状（mushroom-like）”。已经发现蘑菇状树突棘对人类成年后的大脑运作具有关键的重要性。另一方面，人们知道，随着大脑的成熟和发育，粗短状棘突会逐渐消失。在过去的几十年里，许多神经科学家已经研究了树突棘的功能和结构。然而，不同类型的树突棘的独特蛋白质组成仍然是未知的。

在一项新的研究中，来自德国哥廷根大学医学中心的研究人员探究了人脑中突触后树突棘的组成。他们的发现能够帮助解释以前的实验观察，概述了不同树突棘的反应模式。相关研究结果近期发表在Nature Neuroscience期刊上，论文标题为“A large-scale nanoscopy and biochemistry analysis of postsynaptic dendritic spines”。

论文通讯作者、哥廷根大学医学中心的Silvio Rizzoli博士表示，“大多数神经科学家都知道，突触具有从一个神经元向下一个神经元传递信息的功能。突触的功能是基于需要同步工作的许多类型的蛋白质。问题是，没有人知道突触中有多少这样的蛋白质，以及它们是如何一起工作的。”

Rizzoli和他的同事们之前研究了突触前（从传输神经元中出现的突触部分）的蛋白质组成，他们在Science期刊上发表的一篇论文中介绍了他们在这方面的研究成果（Science, 2014, doi:10.1126/science.1252884）。另一方面，在这项新的研究中，他们分析了突触后（接近接收神经元的突触部分）的蛋白质组成。

他们研究的总体目标是获得对所谓突触机制的定量理解，而不是在其他研究工作中获得定性理解。换句话说，他们希望了解树突棘（或者突触后）中有多少不同类型的蛋白质，而不仅仅是确定它们是由什么组成的。

Rizzoli解释说，“在我们的论文中，我们以体外培养的神经元为研究对象，采取了一种综合的方法：先通过定量生物化学和质谱分析每个神经元的蛋白质拷贝数，然后使用传统的辐射荧光成像确定每个突触的拷贝数，最后使用超分辨率STED显微镜分析蛋白质位置。用电子显微镜分析了突触的三维形态，最后，通过建模将所有这些元素放在一起。”

一种定量分析树突棘的综合方法，图片来自Nature Neuroscience, 2021, doi:10.1038/s41593-021-00874-w。

以前的神经科学研究认为，小的、粗短的、瞬时的突触和大的、蘑菇状的、永久性的突触在组成和结构组织上会有所不同。然而，有趣的是，Rizzoli和他的同事进行的分析显示，粗短的突触和蘑菇状的突触具有几乎相同的结构组织，具有相似的平均蛋白质拷贝数和拓扑结构。

对每种蛋白质与突触后密度质量的相关性进行的更仔细的分析表明，蘑菇状树突棘具有更大的突触强度。换句话说，与蘑菇状树突棘相比，粗短的树突棘似乎不太可能对突触传递的动态变化作出充分的反应。

这些结果可能有几个重要的意义。例如，它们可以部分地解释为什么粗短的树突棘是短暂的，并随着人类大脑的发育而逐渐消失，而蘑菇状的树突棘是永久性的，并在成年大脑的运作中发挥着关键作用。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Martin S. Helm et al. A large-scale nanoscopy and biochemistry analysis of postsynaptic dendritic spines. Nature Neuroscience, 2021, doi:10.1038/s41593-021-00874-w.