Neuron:饒毅等提出腦研究的“化學連接組”新概念

【字體: 時間:2019年02月26日 來源:北京大學

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  “化學連接組是一個新概念,化學連接組學是一個新途徑,應用于果蠅的相關工具是強有力的資源”。

  

2019年2月21日,重要國際學術期刊《神經元》發表北京大學饒毅教授實驗室的論文:“化學連接組學:繪制果蠅的化學傳遞圖譜”。 其摘要中明確提出“化學連接組是一個新概念,化學連接組學是一個新途徑,應用于果蠅的相關工具是強有力的資源”。 通過物理光學成像、化學、分子生物、遺傳學和神經生物學等學多學科交叉,創造了在同一篇論文中出現新概念、新途徑和新資源三者合一的罕見范例。國際專家稱為“有遠見”、“杰作”。

文章以與眾不同的“我們定義‘化學連接組’”為開始。文章指出:雖然對部分的單個神經遞質及其受體有很多研究,但迄今對全部遞質及其受體作為整體的重要性認識不足,化學連接組是反映其生物學整體重要性的新概念;化學連接組學新途徑是將化學連接組作為具有生物學意義的入口剖析行為和認知的神經環路;應該制造與化學連接組相關的基因修飾動物品系,普遍用于行為和認知的分子研究及其環路的遺傳解析。

生物學常見在不同生物學過程中的作用研究已發現的分子(或其化學修飾),更好的是發現新的分子、或新的生物學過程,而其中較少的能夠達到提出概念的程度。技術上,常見將新技術推廣使用于不同生物學問題、或改進技術(如我國近年大量推廣和改進基因修飾技術),較少發明新技術,而更少提出新途徑。國際科學前沿罕見同時推出新概念、新途徑和強有力資源,而我國大部分領域領域在國外概念框架下而極少提新概念、在國外開辟的途徑上前進而難以獨創新途徑、通過引進國外資源為基礎開展研究而少有制造科學研究資源與世界共享。

饒毅實驗室論文的新概念為“化學連接組”(chemoconnectome,簡稱CCT),F代神經科學關鍵問題之一是神經系統如何連接、連接如何起功能作用、在不同狀態(如學習記憶、或疾。┲羞B接組是否改變。以往的連接組以物理空間測度定義,而化學連接組是以神經傳遞信息的化學分子定義來定義連接組。已知信息在神經纖維上是電傳導,而信息在神經細胞之間、神經細胞與其他細胞之間是化學傳導,其分子為神經遞質、神經調質、神經肽等。長期以來,對神經遞質及其受體的研究局限于研究一個、或少數幾個遞質或受體。饒毅提出的化學連接組,是一個動物體內所有的神經遞質、調質、神經肽及其受體作為整體的概念。論文的新途徑為“化學連接組學”(chemoconnectomics),它是建立在化學連接組概念之上、結合分子生物學和遺傳學方法的研究途徑,并有助于切入化學連接通路。論文的新資源是為開展化學連接組學,饒毅實驗室通過分子生物學和遺傳學制作了逾百個果蠅基因的數百株基因修飾的品系,提供了實現化學連接組學所必需的資源,而其設計和制造對應用至關重要。經過饒毅實驗室多個研究生、博士后14年的努力,在以往6篇研究單個神經遞質的論文之后,以鄧博文為第一作者的文章是這一系列工作的第7篇論文。

眾所周知腦對人類的重要性,人類長期夢寐以求揭開腦的奧秘,并希望改善人類健康。為此,北京大學獲得國際友人捐贈后于2012年成立北大麥戈文腦研究所,美國總體奧巴馬于2013年推出美國的腦計劃,北京市于2018年3月成立了北京腦科學中心。饒毅為北大腦研究所和北京腦中心的負責人。

腦的功能依賴其環路連接,神經環路實現各種行為、認知、思維?茖W家們非常希望有普遍的方法剖析神經環路。一個動物全部的神經連接稱為連接組,研究連接組的科學為連接組學。此前,已經有三類連接組:微觀連接組,主要以電子顯微鏡重構神經環路;介觀連接組,主要以注射在特定促進子調節表達基因的病毒;宏觀連接組,主要以功能核磁共振為基礎顯示人腦大尺度的連接。這些方法分別有優點和缺點。電子顯微鏡分辨率高,但因此圖像數據量巨大,以前只有302個神經元的線蟲有電子顯微鏡重構的連接組,而電鏡方法不可能進行分子或細胞活性的操縱,從而不能研究功能。2018年美國科學家發表的果蠅電鏡重構,用了2100萬張圖片,還只能分析其部分而不能完全分析其十萬左右全腦。而通常通過病毒研究的介觀連接組,可以影響分子和細胞,但不清楚一個小如鼠腦需要注射多少個點才飽和,更不清楚一個注射位點究竟需要多少個調節元素才能包含所有的細胞。核磁共振成像的優點是可以無創性研究人腦,但分辨率太低,也難以觀察分子,無法操縱分子和細胞的活性,從而不能在分子和細胞水平研究功能。

饒毅提出了化學連接組的概念,十四年以來逾12位研究生、一位博士后參與開發和實現了化學連接組學。它在揭示腦的構成和神經環路方面不僅與已有連接組學互補,而且有明顯優勢。它在揭示基因與行為和認知的分子機理方面,與隨機遺傳突變篩選互補、并有專注神經信號的優勢,這一優勢原則上也應可在哺乳類實現,還將克服迄今難以實現的系統研究參與哺乳類行為和認知的基因的障礙。

神經傳遞信號的主要是通過化學傳遞,也就是一個神經細胞釋放稱為“神經遞質”的化學分子,作用于下一個神經細胞(或其他靶細胞,如骨骼肌、心臟、血管等)而調節后者的活動(如興奮、抑制、收縮、舒張等)。神經細胞與下一個細胞的信息交流部分稱為突觸。突觸前的神經細胞合成神經遞質,而突觸后的細胞合成其受體蛋白質、表達在細胞膜。這樣,突觸前釋放的神經遞質彌散到突觸后,結合于細胞膜表面的受體蛋白,從而調節下一個細胞。一個細胞可以有多種受體,從而傳送不同信號。這一過程稱為“化學傳遞”,是神經生物學的基石。

闡明和發展“化學傳遞學說”的科學家包括1936年諾獎得主英國藥理學家Henry Dale和德國生理學家Otto Loewi、1970年諾獎得主瑞典藥理學家Ulf von Euler、英國生理學家Bernard Katz和美國生化學家Julius Axelrod等。繼續研究化學傳遞具體步驟(囊泡分泌)分子機理的科學家包括2013年諾獎得主、德裔美國科學家Thomas Südhof等;瘜W傳遞是重要腦功能的關鍵基礎,如2013年諾獎得主、美國猶太神經生物學家Eric Kandel等長期研究發現化學傳遞的可塑性是學習記憶的基礎。在化學傳遞學說基礎上研究腦疾病的包括2000年諾獎得主瑞典藥理學家Avid Carlsson,揭示巴金森氏并緣于合成神經遞質多巴胺的神經細胞死亡,從而可以用左旋多巴治療巴金森病;瘜W傳遞很大程度影響了現代藥物工業,神經遞質的受體主要有兩類,占多數的一類為GPCR,而GPCR是今天百分之30以上處方藥的靶點,其中遠超出神經、精神疾病,例如心血管疾病的重要藥物也是GPCR的抑制劑,腸道疾病也用調節GPCR活性的藥物分子。英國藥理學家James Black因為改進治療心血管疾病和胃腸道疾病的GPCR抑制劑而獲1988年諾獎。

果蠅是生物學重要模式,自從摩爾根將果蠅發展成為重要的遺傳學模式生物之后一百年來,多次為生物學做出重要貢獻,例如摩爾根因為用果蠅研究遺傳學原理獲1933年諾獎,摩爾根的學生Muller因為用果蠅發現射線導致遺傳突變獲1947年,德國和美國科學家用果蠅研究胚胎發育的基因獲1995年諾獎,法國科學家Jules Hoffman因為用果蠅發現天然免疫的基因貢獻獲2011年諾獎,美國三位科學家因為用果蠅研究生物鐘的分子基礎獲2017年諾獎?茖W院用果蠅進行的研究遙遙領先其他生物,帶來突破,常常刺激用其他生物的研究,包括哺乳類和人的研究?梢灶A計,饒毅實驗室用果蠅開創的化學連接組研究,也將刺激科學界用哺乳類研究化學連接組,成為神經連接研究的核心之一。

為了全面、系統研究化學連接組,饒毅實驗室通過基因修飾神經遞質及其受體相關的基因,既可以追蹤所有神經遞質(和神經調質)、及其受體,也可以操縱這些基因,還可以操縱表達相關基因的神經細胞,從而在分子和細胞水平重構神經細胞的功能連接,而且確定其中參與的神經遞質及其受體。

自2005年起,饒實驗室研究果蠅的神經遞質及其受體。第一位是清華本科畢業的周傳,作為中國科學院生物物理研究所的研究生,他在饒毅當時新成立的位于北京生命科學研究所的實驗室從事研究。他研究了果蠅的神經遞質蟑胺參與果蠅打架與求偶,結果分別于2008年發表于《自然 神經科學》、2012年發表于《神經科學雜志》。饒實驗室的博士后劉琰于2011年在《自然》發表老鼠腦內神經遞質五羥色胺調節雄鼠性偏好行為,研究生張莎莎于2013年在《美國科學院院刊》發表五羥色胺調控雌鼠性偏好行為。此后,饒實驗室砥礪前行埋頭探索、推進重大研究,他們創新發力從研究單個基因向制備所有神經遞質及其受體的CCT。博士后黃娟從美國匹茨堡到北京大學饒實驗室用當時的Ends-Out和Ends-In技術敲除和敲入果蠅基因。2012年國外發明CRISPR-CAS9基因修飾技術后,饒實驗室很快開始應用。鄧博文、李祺、劉新星、曹越、李冰峰、錢永軍、周恩興、戴熙慧敏、毛仁波先后加入化學連接組課題,分別推進。

研究生錢永軍和李祺用了黃娟制造的果蠅,加上后來CRISPR-CAS9制造的果蠅,獲得結果。錢永軍于2017年在eLife期刊發表對果蠅五羥色胺及其5個受體的研究,發現五羥色胺及其2b受體調節果蠅睡眠,其中2b在果蠅兩個神經細胞中調節睡眠。李冰峰設計制造與腺苷酸相關的果蠅品系。劉新星設計制造與鱆胺相關的果蠅品系。戴熙慧敏設計、制造、研究了神經遞質乙酰膽堿及其受體的表達和作用,另行投稿。周恩興通過篩選影響睡眠的基因,找到果蠅一個新的神經調質,以前只在哺乳類發現,而周恩興發現果蠅也有,并起重要作用,另行投稿。博士后張嫻和研究生閆洪明等于2018年在《分子藥理學》雜志報道老鼠五羥色胺調節睡眠,確定這不是因為直接調節體溫所致。

在最新的鄧博文等論文中,饒實驗室首選果蠅來實現CCT。果蠅一百多年來為生物學提供了多個突破,科學家可以有力地在果蠅應用遺傳學和分子生物學,且其成本低,一個實驗室就能做完。果蠅有193個CCT相關的基因,鄧博文等傾力工作,設計為每個基因制造缺失突變,并敲入外源DNA片段以標記每個基因。為此,他們已經制備了數百多株果蠅品系,以分別研究基因的表達和功能。

CCT具備所有現有連接組學所沒有的優點。CCT可以系統地研究神經信息傳遞,因為它涵蓋了全部已知的神經遞質、神經調質、神經肽及其受體;CCT在介觀尺度全面系統地解析神經連接,其他介觀和微觀連接組學方法可以應用、擴展和圍繞它進一步深化。CCT抓住了神經傳導信號的關鍵:神經遞質及其受體,可以通過遞質表達的神經細胞、和受體表達的神經細胞來推斷神經環路;CCT不僅可以研究基因的功能,也能研究細胞的功能;CCT通過運用遺傳操縱的分子邏輯門,不僅可以檢測兩個基因的關系,而且可以研究兩個細胞的連接和關系;理論上,CCT可以研究多個基因和多個細胞的功能關系,包括直接和間接關系。

饒實驗室為CCT制造了數百株果蠅品系,但它不是資源型研究而是創造性研究。美國有研究所已制造七千多株轉基因果蠅品系,但其做法是在果蠅基因組每隔兩千堿基對插入一段DNA,這種插入與功能無關,消耗資源十倍以上,但無新概念、無關神經信號(有個別插入與信號偶然巧合),只觀察表達模式,無基因缺失突變種,可研究神經細胞的功能,不易于研究基因功能。

CCT成為新概念是因為它抓住了神經傳遞作為信號的生物學特征,CCT成為新的主導型的研究途徑是因為其綜合分子生物學和遺傳學技術進行了有效的設計。用果蠅做CCT的工作量是一個實驗室就可以承擔的,是顯示這一概念加途徑的最佳方式。饒實驗室的文章提到:“在哺乳類進行CCT的想法沒有逃脫我們的注意”。實際他們已設計哺乳動物的CCT,并有少量結果,尚未發表。

鄧博文巧妙地設計如何克隆基因,使它能夠一專多能:果蠅的一個基因被修飾后,其后可以比較方便地進行多種修飾。不僅看基因表達的細胞,而且可以觀察其編碼蛋白質表達的亞細胞區域,例如只表達在神經細胞的軸突上。他們不僅追蹤小分子神經遞質,而且追蹤神經調質和神經肽。

鄧博文等建立了第一個CCT后,進行了初步應用。他們發現不僅神經細胞、而且神經膠質細胞也有遞質和受體,鄧博文等還發現神經系統另外一類細胞—神經膠質細胞含有特定的神經肽和神經遞質的受體,劉新星發現蟑胺b2受體不僅在神經細胞調節睡眠,也在膠質細胞調節睡眠。他們發現一個神經細胞含有多個神經遞質的規律(哪些遞質可以在同一個細胞,哪些不在)。一個神經細胞的活性對于特定行為(如睡眠)的調節常常通過細胞內不止一個神經遞質、神經調質、神經肽來進行。他們通過初步篩選CCT的缺失突變株,發現至少41個CCT基因調節睡眠,其中部分可以看出上下游關系(含分子A的神經細胞含分子B的神經細胞之上游)。

鄧博文等的論文被同行評審專家贊賞。國際專家稱道:“作者有遠見,并能夠有計劃完成這一龐大任務”。專家對這項工作的評議是這項工作不僅有創造性,而且是“杰作”,“將對整個果蠅領域有巨大的影響,而且影響將遠超出果蠅研究,…因為這是任何動物模型中第一次如此系統性規模的分析。它不僅揭示腦的組織方式的普遍原則,而且將在機理上解析特定環路的功能”。

該論文的共同第一作者為鄧博文、李祺、劉新星和曹越等四位研究生,另有李冰峰、錢永軍、周恩興、毛仁波等研究生、以前的博士后黃娟及其學生徐瑞,通訊作者為饒毅。

原文標題:

Chemoconnectomics: Mapping Chemical Transmission in Drosophila



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