新技術可觀測到神經突觸中的單個蛋白

我們的大腦包含數百萬個突觸-這些連接在神經元之間傳遞信息。在這些突觸中有數百種不同的蛋白質，這些蛋白質的功能障礙會導致精神分裂癥和自閉癥等疾病的發生。

最近，麻省理工學院以及哈佛大學和麻省理工學院的研究人員現在已經設計出一種新方法，可以以高分辨率對這些突觸蛋白快速成像。使用熒光核酸探針，它們可以標記和觀察無限數量的不同蛋白。在這項研究中，他們對含有數千個突觸的細胞樣本中的12種蛋白質進行了成像。

麻省理工學院生物工程學副教授Mark Bathe說：“多重成像很重要，因為即使在同一大腦內，突觸與細胞之間也有很大的差異。”

研究人員計劃在下一步使用這種技術來研究突觸，以及阻斷與特定疾病相關基因的表達時會發生什么，以期希望開發出可以逆轉這些效應的新療法。相關研究發表最近的《nature communications》雜志上。

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遞質和處理傳入信號有關。雖然突觸包含數百種這些蛋白質，但傳統的熒光顯微鏡技術**于一次最多成像四個蛋白質。

為了增加蛋白質的數量，麻省理工學院的團隊基于一種稱為DNA PAINT的現有方法開發了一項新技術。使用最初由馬克斯·普朗克生物化學研究所的Ralf Jungmann設計的這種方法，研究人員使用DNA抗體探針標記了蛋白質或其他感興趣的分子。然后，他們通過傳遞與DNA抗體探針結合的熒光DNA“寡核苷酸”使每種蛋白質能夠被觀察到。

DNA鏈彼此之間固有的親和力很低，因此它們會定期結合和解除結合，可以使用超高分辨率顯微鏡對閃爍的熒光進行成像。但是，對每種蛋白質進行成像大約需要半小時，因此無法對大型樣品中的許多蛋白質進行成像。

Bathe和他的同事著手創建一種更快的方法，使他們可以在短時間內分析大量樣本。為了實現這一目標，他們優化了DNA探針，使其可以使用所謂的鎖定核酸與DNA抗體更緊密地結合。這樣會產生更亮的信號，因此可以更快地完成成像，但分辨率略低。

Bathe說：“當我們在單個神經元孔上進行12或15種顏色處理時，整個實驗需要一個小時，而與之相比，此前的技術需要一整夜的時間。”

研究人員使用這種技術來標記突觸中發現的12種不同蛋白質，包括支架蛋白質，與細胞骨架相關的蛋白質以及已知標記興奮性或抑制性突觸的蛋白質。他們研究的蛋白質之一是shank3，這是一種與自閉癥和精神分裂癥都有聯系的支架蛋白質。

通過分析成千上萬個神經元中蛋白質的水平，研究人員能夠確定往往比其他蛋白質更頻繁地相互關聯的蛋白質組，并了解它們所含蛋白質中不同突觸的差異。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。

研究人員還表明，他們可以測量河豚毒素（TTX）治療神經元后發生的突觸蛋白水平的變化，這種化合物此前被證明可增強突觸連接。

“使用常規的免疫熒光法，通常可以從同一樣品中的三個或四個靶標中提取信息，但是通過我們的技術，我們能夠將該數目擴展到同一樣品中的12個不同靶標。我們將這種方法應用于檢查突觸重塑TTX治療后會發生的情況，我們的發現證實了以前的工作，揭示了TTX治療后突觸蛋白的協同上調。”

研究人員現在正在使用這種稱為PRISM的技術來研究通過敲除與各種疾病相關的基因如何影響突觸的結構和組成。 對自閉癥和精神分裂癥等疾病患者的基因組進行測序后，發現了數百種與疾病相關的遺傳變異，而對于大多數變異，科學家都不知道它們如何導致疾病。

Bathe說：“了解遺傳變異如何影響神經元在大腦中的發育以及它們的突觸結構和功能，是神經科學領域的巨大挑戰。”