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Nat Commun:新技术可观测到神经突触中的单个蛋白

来源:本站原创 2019-09-27 02:27

2019年9月26日 讯 /生物谷BIOON/ --我们的大脑包含数百万个突触-这些连接在神经元之间传递信息。在这些突触中有数百种不同的蛋白质,这些蛋白质的功能障碍会导致精神分裂症和自闭症等疾病的发生。

最近,麻省理工学院以及哈佛大学和麻省理工学院的研究人员现在已经设计出一种新方法,可以以高分辨率对这些突触蛋白快速成像。使用荧光核酸探针,它们可以标记和观察无限数量的不同蛋白。在这项研究中,他们对含有数千个突触的细胞样本中的12种蛋白质进行了成像。

麻省理工学院生物工程学副教授Mark Bathe说:“多重成像很重要,因为即使在同一大脑内,突触与细胞之间也有很大的差异。”


(图片来源:Www.pixabay.com)

研究人员计划在下一步使用这种技术来研究突触,以及阻断与特定疾病相关基因的表达时会发生什么,以期希望开发出可以逆转这些效应的新疗法。相关研究发表最近的《nature communications》杂志上。

突触蛋白具有多种功能。它们中的许多有助于形成突触支架,这些支架与分泌神经递质和处理传入信号有关。虽然突触包含数百种这些蛋白质,但传统的荧光显微镜技术仅限于一次最多成像四个蛋白质。

为了增加蛋白质的数量,麻省理工学院的团队基于一种称为DNA PAINT的现有方法开发了一项新技术。使用最初由马克斯·普朗克生物化学研究所的Ralf Jungmann设计的这种方法,研究人员使用DNA抗体探针标记了蛋白质或其他感兴趣的分子。然后,他们通过传递与DNA抗体探针结合的荧光DNA“寡核苷酸”使每种蛋白质能够被观察到。

DNA链彼此之间固有的亲和力很低,因此它们会定期结合和解除结合,可以使用超高分辨率显微镜对闪烁的荧光进行成像。但是,对每种蛋白质进行成像大约需要半小时,因此无法对大型样品中的许多蛋白质进行成像。

Bathe和他的同事着手创建一种更快的方法,使他们可以在短时间内分析大量样本。为了实现这一目标,他们优化了DNA探针,使其可以使用所谓的锁定核酸与DNA抗体更紧密地结合。这样会产生更亮的信号,因此可以更快地完成成像,但分辨率略低。

Bathe说:“当我们在单个神经元孔上进行12或15种颜色处理时,整个实验需要一个小时,而与之相比,此前的技术需要一整夜的时间。”

研究人员使用这种技术来标记突触中发现的12种不同蛋白质,包括支架蛋白质,与细胞骨架相关的蛋白质以及已知标记兴奋性或抑制性突触的蛋白质。他们研究的蛋白质之一是shank3,这是一种与自闭症和精神分裂症都有联系的支架蛋白质。

通过分析成千上万个神经元中蛋白质的水平,研究人员能够确定往往比其他蛋白质更频繁地相互关联的蛋白质组,并了解它们所含蛋白质中不同突触的差异。此类信息可用于帮助将突触分类为可能有助于揭示其功能的亚型。

研究人员还表明,他们可以测量河豚毒素(TTX)治疗神经元后发生的突触蛋白水平的变化,这种化合物此前被证明可增强突触连接。

“使用常规的免疫荧光法,通常可以从同一样品中的三个或四个靶标中提取信息,但是通过我们的技术,我们能够将该数目扩展到同一样品中的12个不同靶标。我们将这种方法应用于检查突触重塑TTX治疗后会发生的情况,我们的发现证实了以前的工作,揭示了TTX治疗后突触蛋白的协同上调。”

研究人员现在正在使用这种称为PRISM的技术来研究通过敲除与各种疾病相关的基因如何影响突触的结构和组成。 对自闭症和精神分裂症等疾病患者的基因组进行测序后,发现了数百种与疾病相关的遗传变异,而对于大多数变异,科学家都不知道它们如何导致疾病。

Bathe说:“了解遗传变异如何影响神经元在大脑中的发育以及它们的突触结构和功能,是神经科学领域的巨大挑战。”(生物谷Bioon.com)


原始出处:Syuan-Ming Guo, Remi Veneziano, Simon Gordonov, Li Li, Eric Danielson, Karen Perez de Arce, Demian Park, Anthony B. Kulesa, Eike-Christian Wamhoff, Paul C. Blainey, Edward S. Boyden, Jeffrey R. Cottrell, Mark Bathe. Multiplexed and high-throughput neuronal fluorescence imaging with diffusible probes. Nature Communications, 2019; 10: 4377 DOI: 10.1038/s41467-019-12372-6

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