张永清研究组获得神经突触发育研究新成果

　　

生物通报道：来自中科院遗传与发育生物研究所的研究人员结合免疫荧光技术、活体成像术、电镜技术以及分子遗传操作技术等，系统地研究了果蝇变态过程中神经肌肉突触重塑的分子和细胞生物学机制。这一研究成果公布在国际主流神经生物学杂志The Journal of Neuroscience上。

领导这一研究的是中国科学院遗传与发育生物学研究所张永清研究员，其早年毕业于华中农业大学，目前主要研究方向是利用传统的模式动物果蝇进行神经生物学的基础应用研究。由于果蝇的神经系统在分子和细胞水平上与哺乳动物的非常相似，这一研究将有助于对人类大脑功能的认识。

神经突触是神经元之间进行信息交流的特化结构。长期以来，神经突触的发育与重塑是神经科学研究的核心科学问题。突触重塑是生物个体发育过程中神经环路的形成以及生物对生理和（或）环境变化的适应过程中普遍存在的生物学现象。同时，突触重塑的异常会导致许多重要的神经疾病。然而，我们对突触重塑的分子和细胞机理的认识却非常有限。

果蝇是研究神经发育机制的重要模式动物。在果蝇的变态发育过程中，神经肌肉突触发生大规模的、剧烈的形态和结构变化并最终重塑成成虫特异的突触。

在这篇文章中，研究人员结合免疫荧光技术、活体成像术、电镜技术以及分子遗传操作技术等，系统地研究了果蝇变态过程中神经肌肉突触重塑的分子和细胞生物学机制。

研究表明，神经肌肉突触清除时，突触后骨架蛋白Disc Large首先开始扩散并最终消失，同时突触后谷氨酸受体分布面积扩大。电镜结果显示，突触后网状结构也发生空泡化并最终解聚。而突触前结构的拆装比突触后结构清除晚约1个小时，主要表现为突触前伪足样结构形成，突触囊泡的聚集和回运。组织特异性基因操作的分析结果表明，抑制突触后肌肉中蜕皮激素、细胞凋亡及蛋白酶体通路能同时延缓突触前后结构的清除，而抑制突触前运动神经元中蜕皮激素、细胞凋亡及蛋白酶体通路仅能部分延缓突触前结构的清除过程，而不能延缓突触后结构的清除。上述结果表明，突触后结构对突触清除过程起关键作用。该研究揭示了突触清除的分子细胞机制，并建立了一个新的研究突触清除的模式体系。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Distinct Presynaptic and Postsynaptic Dismantling Processes of Drosophila Neuromuscular Junctions during Metamorphosis

Synapse remodeling is a widespread and fundamental process that underlies the formation of neuronal circuitry during development and in adaptation to physiological and/or environmental changes. However, the mechanisms of synapse remodeling are poorly understood. Synapses at the neuromuscular junction (NMJ) in Drosophila larvae undergo dramatic and extensive remodeling during metamorphosis to generate adult-specific synapses. To explore the molecular and cellular processes of synapse elimination, we performed confocal microscopy, live imaging, and electron microscopy (EM) of NMJ synapses during the early stages of metamorphosis in Drosophila in which the expressions of selected genes were genetically altered. We report that the localization of the postsynaptic scaffold protein Disc large (Dlg) becomes diffuse first and then undetectable, as larval muscles undergo histolysis, whereas presynaptic vesicles aggregate and are retrogradely transported along axons in synchrony with the formation of filopodia-like structures along NMJ elaborations and retraction of the presynaptic plasma membrane. EM revealed that the postsynaptic subsynaptic reticulum vacuolizes in the early stages of synapse dismantling concomitant with diffuse localization of Dlg. Ecdysone is the major hormone that drives metamorphosis. Blockade of the ecdysone signaling specifically in presynaptic neurons by expression of a dominant-negative form of ecdysone receptors delayed presynaptic but not postsynaptic dismantling. However, inhibition of ecdysone signaling, as well as ubiquitination pathway or apoptosis specifically in postsynaptic muscles, arrested both presynaptic and postsynaptic dismantling. These results demonstrate that presynaptic and postsynaptic dismantling takes place through different mechanisms and that the postsynaptic side plays an instructive role in synapse dismantling.

作者简介：

张永清
男 博士，研究员，博士生导师。

　　1985年获武汉华中农业大学学士学位，1991年获北京农业大学（现中国农业大学）博士学位。1992－1993在中国科学院微生物研究所作博士后。1994年在荷兰Wageningen大学作访问学者。1995-1997年在英国剑桥大学作博士后。1998-2003年先后在美国尤他大学和Vanderbilt大学作博士后和访问学者。先后获得美国FRAXA Research Foundation（2001-2002）和 Vanderbilt大学Kennedy Center for Research on Human Development（2003）的研究奖。

　　张永清研究员的主要研究方向:利用传统的模式动物果蝇进行神经生物学的基础应用研究。由于果蝇的神经系统在分子和细胞水平上与哺乳动物的非常相似，这一研究将有助于我们对人类大脑功能的认识。

主要研究内容包括：

　　1） 以果蝇为材料，用分子、细胞、遗传、发育和神经生物学为主要实验检测手段研究神经系统的结构和功能。

　　2） 以果蝇为模式动物研究人类重要神经疾病包括智力低下的分子遗传机制，从而为这类疾病的预防和治疗提供理论依据，同时为神经系统的正常发育和功能提供新的见解。
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主要论著目录：

1. Yong Q. Zhang, David Friedman, Zhe Wang, Elvin Woodruff III, Luyuan Pan, Janis
　O’Donnell and Kendal Broadie,Protein Expression Profiling of the Drosophila Fragile
　X Mutant Brain Reveals Upregulation of Monoamine Synthesis. Molecular and Cellular
　Proteomics, 4(3)278-290, 2005
2. Yong Q. Zhang and Kendal Broadie. Fathoming fragile X in fruit flies. Trends in
　Genetics, 21(1):37-45, 2005
3. Luyuan Pan, Yong Q. Zhang, Elvin Woodruff and Kendal Broadie . The Drosophila
　fragile X gene negatively regulates neuronal elaboration and synaptic differentiation.
　Current Biology 14:1863-1870, 2004
4. Yong Q. Zhang, Heinrich J. G. Matthies, Joel Mancuso, Hillary K. Andrews, Elvin
　Woodruff, III , David Friedman and Kendal Broadie. The Drosophila fragile X-related
　gene regulates axoneme differentiation during spermatogenesis. Developmental
　Biology 270(2): 290-307, 2004
5. Hillary Andrews, Yong Zhang, Nick Trotta and Kendal Broadie. Drosophila Sec10 is
　required for hormone secretion but not general exocytosis or neurotransmission.
　Traffic 3(12): 906-921, 2002
6. Yong Zhang, Christopher Rodesch and Kendal Broadie. A living synaptic vesicle
　marker: synaptotagmin-GFP. Genesis: the journal of genetics and development
　34: 142-145, 2002
7. Yong Zhang, Adina M. Bailey, Heinrich J. G. Matthies, Robert B. Renden, Mark A.
　Smith, Sean D. Speese, Gerald M. Rubin and Kendal Broadie. Drosophila fragile X
　related gene regulates the MAP1B homolog Futsch to control synaptic structure and
　 function. Cell 107: 591-603, 2001
8. Yong Zhang, David Featherstone, Warren Davis, Emma Rushton and Kendal Broadie.
　Drosophila D-Titin is required for myoblast fusion and skeletal muscle striation.
　Journal of Cell Science 113: 3101-3115, 2000
9. Yong Zhang, John Roote, Saverio Brogna, Andrew W. Davis, Daniel A. Barbash,
　David Nash and Michael Ashburner. stress sensitive B encodes an adenine
　nucleotide translocase in Drosophila melanogaster. Genetics 153 (2): 891-903, 1999