研究将神经基因表达差异与功能差异联系起来

弄清楚数百种不同类型的脑细胞如何从数千种基因的独特表达中发育而来，不仅可以增进对大脑在健康状态下如何运作的理解，而且还能加深对疾病中出现问题的理解。麻省理工学院的一项新研究精确地探索了果蝇两种神经元类型的这种“分子逻辑” ，结果表明，即使是相似的细胞也会推动和拉动许多杠杆来开发不同的功能。

在Neuron的研究中 ，Picower 学习与记忆研究所的一组神经生物学家发现，这两种密切相关的神经元亚型在表达 800 多个基因(约占神经元编码基因总数的 5%)的方式上存在差异。果蝇基因组。通过操纵表达差异最显着的基因，科学家们能够展示它们如何在细胞之间产生一些可观察到的差异。

“神经科学领域正在全球范围内努力识别所有不同类型的神经元，以确定其独特的特性及其基因表达谱，”该研究的资深作者、麻省理工学院生物系、脑与认知科学系 Menicon 神经科学教授特洛伊·利特尔顿 (Troy Littleton) 说。“这些信息可以用作研究新发现的疾病基因如何映射到那些特定神经元的工具包，以表明哪些神经元在特定的大脑疾病中可能受影响最大。

“我们想用 果蝇 作为一种方法，看看我们实际上是否可以确定两个相似神经元的转录组如何差异化地用于了解哪些关键基因指定了它们独特的结构和功能特性。”

显微镜下

研究中比较的两种神经元类型都来自苍蝇的脊髓，通过在称为突触的连接处释放神经递质谷氨酸来控制肌肉。这些神经元的主要功能差异在于，“阶段性”神经元连接到许多肌肉并偶尔释放出大量的谷氨酸，而“补给性”神经元每个只连接到一块肌肉并提供更多的化学物质的持续滴注。这种二元性也存在于人脑神经元中，提供了灵活的控制范围。

Picower 研究所博士后 Suresh Jetti 领导了 Littleton 实验室的工作，以确定这两个神经元如何产生差异。研究小组首先对两种细胞类型在形式和功能上的差异进行了异常深入的表征，然后对基因表达谱或转录组进行了高度精确的观察。

经过仔细检查，强直细胞和时相细胞表现出多种重要的差异。相位神经元在单块肌肉上产生的突触比强直神经元少，但由于它们支配更多的肌肉，因此相位神经元必须产生大约四倍的突触总数。由于树突(通向细胞的分支)的范围更广，强直神经元从其他神经元获得了更多的输入。在输出方面，相位神经元在受到刺激时会产生更强大的信号，并且比强直神经元更有可能发送信号。分析表明，促进谷氨酸释放的突触位点(称为活性区(AZ))在阶段性神经元中比强直性神经元吸收更多的钙离子。

一个特别新且有趣的发现是，强直神经元和相位神经元中的 AZ 呈现不同的形状。强直 AZ 是圆形的，就像甜甜圈一样，而相位 AZ 则更呈三角形或星形。利特尔顿推测，这种差异可能会让更多的钙离子涌入阶段性活动区，这或许可以解释与强直性神经元相比，它们会释放更多的谷氨酸。

表达他们的差异

为了评估基因表达，Jetti 采用了一种名为“isoform patchseq”的技术，在数百只果蝇中识别出完全相同的强直性和相位性神经元，并从它们各自的细胞核和细胞体中提取 RNA。Littleton 说，这项技术虽然非常辛苦，但为团队提供了异常丰富的转录组信息，这些信息来自精确的感兴趣的细胞，不仅包括两种细胞类型之间基因表达的差异，还包括基因剪接和 RNA 编辑的差异是不同的。

总之，两种神经元类型之间 822 个基因的表达存在显着差异。已知大约 35 个基因有助于引导轴突分支的生长，神经元通过延伸轴突分支来与肌肉建立联系——这一系列差异解释了为什么强直神经元只支配一块肌肉，而阶段性神经元却支配多块肌肉。其他差异表达基因与突触的结构和功能相关，而其他 20 多个基因表明每个神经元对输入敏感的神经调节化学物质存在差异。

研究小组发现，转运蛋白在阶段性神经元中表达更为显着，这或许可以解释它们如何满足在许多肌肉中形成更多突触的更大需求。研究小组还发现，强直性神经元表达“唾液酸化”基因，将糖附着在突触膜上的蛋白质上，而阶段性神经元表达独特的“泛素”基因，可以分解蛋白质。

在记录了哪些基因最显着的不同后，研究小组开始通过破坏它们的功能并观察其如何影响细胞来确定它们的作用。

例如，杰蒂、利特尔顿和同事发现，干扰特定的泛素化基因会导致阶段性神经元突触过度生长。与此同时，破坏唾液酸化会导致强直神经元突触生长不足。强直神经元还表达了 40 倍多的一种名为 Wnt4 的基因，破坏 Wnt4 会减少该神经元群中突触的生长。

科学家们还发现，相位神经元表达的钙离子缓冲基因比强直神经元多 30 倍。当他们突变该基因以破坏其功能时，他们发现通常具有较低基线钙水平的相位神经元现在表现出与强直神经元类似的较高静息钙水平。

在另一项实验中，他们表明可以通过干扰每个神经元表达特别高的细胞骨架基因来明显破坏每个细胞的 AZ 形状。当研究小组减少相位神经元大量表达的基因时，它们的 AZ 变长，但强直 AZ 不受影响。当研究小组减少相位神经元高度表达的基因时，它们的 AZ 变得不那么圆，但不会影响相位细胞中的 AZ。

总而言之，该分析使研究小组能够开始构建使两个细胞不同的分子差异模型，尽管利特尔顿表示，他们仍然需要做更多的工作来了解基因表达差异的全部内容如何定义两个神经元的独特属性。亚型。

除了利特尔顿和杰蒂之外，该论文的其他作者还有安德烈斯·克兰 (Andres Crane)、尤利娅·阿克伯格诺娃 (Yulia Akbergenova)、妮可·阿庞特-圣地亚哥 (Nicole Aponte-Santiago)、凯伦·坎宁安 (Karen Cunningham) 和查尔斯·惠特克 (Charles Whittaker)。

JPB 基金会、Picower 学习与记忆研究所和国立卫生研究院资助了这项研究。