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Nature:首次构建出线虫神经系统的完整连接图谱

来源:本站原创 2019-07-08 13:01

2019年7月8日讯/生物谷BIOON/---一种称为秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的动物被全球科学家用作一种模型生物。在一项新的研究中,来自美国阿尔伯特-爱因斯坦医学院的研究人员描述了这种动物的神经系统的首个完整的连接图。该研究包括这种动物的雌性和雄性个体,并揭示出它们之间的实质性差异。相关研究结果发表在2019年7月4日的Nature期刊上,论文标题为“Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes”。
秀丽隐杆线虫,图片来自Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1352-7。

这些研究结果标志着“连接组学(connectomics)”领域的一个重要里程碑。连接组学指的是绘制大脑、大脑区域或神经系统中无数神经连接的图谱,以找到导致负责特定行为的特定神经连接。

论文通讯作者、阿尔伯特-爱因斯坦医学院分子遗传学主任、神经科学系遗传学教授Scott Emmons博士说道,“结构始终是生物学的核心。DNA的结构揭示了基因如何起作用,蛋白的结构揭示了酶如何发挥功能。如今,神经系统的结构揭示了动物的行为以及神经连接出现差错如何导致疾病。”

科学家们猜测某些神经和精神疾病,如精神分裂症和自闭症,是“连接病(connectopathy)”,即“错误连接”引起的问题。Emmons博士说道,“这一假设因发现几种精神障碍与被认为决定连接性的基因突变有关而得到加强。连接组学有潜力帮助我们了解某些精神疾病的基础,可能提出治疗途径。”

模型生物

秀丽隐杆线虫是如此微小---成年线虫仅有一毫米长,仅有大约1000个细胞,而且它的简单的由几百个神经元组成的神经系统(雌雄同体/雌性中有302个神经元,雄性中有385个神经元),这就使得它成为最好的用于理解数十亿倍复杂的人类大脑的动物模型之一。它也是第一个对它的整个基因组进行测序的多细胞生物。

Emmons博士的这项研究建立在已故英国生物学家Sydney Brenner的开创性研究工作之上。

Brenner实验室在实验室成员John White的带领下,在经过对这种线虫的数千张连续电子显微照片上可见的神经结构进行精心分析后,于1986年发表了第一张秀丽隐杆线虫的神经系统图。每张照片由比人类头发薄一千倍的横截面“切片”组成。他和他的同事们在每个切片之间手动绘制“连接点”,将一张照片中的结构与另一张照片连接在一起,从而构建出这些神经元的详细表示以及它们之间的5000个左右的连接(突触)。

经过Brenner和White 的20年不懈努力,他们开创了连接组学领域,并且将这种线虫作为研究生物学和人类疾病研究的重要动物模型。但是,他们的图谱,非正式地成为“线虫的大脑”,忽视了这种线虫身体的大部分,仅包括这两种性别---雌雄同体和雌性---中的一种,但不包括雄性。

接过指挥棒

对于这项新研究,Emmons团队分析了新的线虫电子显微照片以及Brenner博士的旧显微照片,并使用专门开发的软件将它们拼凑在一起,从而构建出秀丽隐杆线虫两种性别的成体个体的完整连接图谱。这些图谱包括各个神经元之间的所有连接、从神经元到线虫肌肉和其他组织(比如肠道和皮肤)的连接、肌肉细胞之间的突触以及对这些突触强度的估计值。

Emmons说道,“虽然这两种线虫性别中的突触通路基本上相似,但许多突触的强度不同,这就为理解性别特异性行为提供了基础。”主要的性别差异与生殖功能有关:在外阴和子宫肌肉以及在雌雄同体中控制它们的运动神经元;并且在大量额外的神经元、性肌肉和尾巴中产生了雄性交配的神经回路。但是除此之外,令人吃惊的是,这两种线虫性别共有的中枢神经通路中神经元之间形成的突触数量似乎在强度上也存在着很大的不同。

Emmons说道,“这些连接的网络是解读秀丽隐杆线虫行为的神经控制的起点。由于这种线虫神经系统含有许多与人类神经系统相同的分子,我们对前者的了解可以有助于我们理解后者。”

Emmons当前正在研究线虫连接组是如何由它的基因组编码的。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Steven J. Cook et al. Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1352-7.
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