诺贝尔奖得主PNAS发表突触最新研究进展

2014年3月17日发表在《PNAS》杂志上的一项研究中，2013年诺贝尔医学奖获得者、斯坦福大学分子和细胞生理学教授Thomas C. Südhof，和生物工程学教授Stephen R. Quake合作，描述了轴突蛋白（neurexin）家族的多样性。

　　

生物通报道：目前，斯坦福大学的神经学家和生物工程师共同解开了一个谜：大自然如何建立连接神经元的不同类型的突触？
 
2014年3月17日发表在《PNAS》杂志上的一项研究中，斯坦福大学分子和细胞生理学教授Thomas C. Südhof和生物工程学教授Stephen R. Quake，描述了轴突蛋白（neurexin）家族的多样性。

轴突蛋白是突触前的细胞粘附因子，对于突触形成和突触传导必不可少。当这些神经元必须一起工作来执行一项给定的任务时，我们可以把突触看做配电盘或控制面板，连接特定的神经元。过去的人类遗传学研究认为，突触和各种认知障碍存在关联，如孤独症和精神分裂症。轴突蛋白转录本的广泛可变剪接，能够产生成千上万个亚型，但是在生理上产生了多少不同的轴突蛋白，仍不明确。

斯坦福大学医学院的Südhof教授，已经花了数年的时间来研究突触蛋白的多种不同形式或亚型。Südhof教授以研究突触传递知名，2013年他因获得了诺贝尔生理学和医学奖：解密2013年诺贝尔生理学或医学奖。他推测，不同的突触蛋白亚型可以帮助产生不同类型的突触连接，这些突触连接具有不同的性质和功能，从而使神经元能够执行如此多的复杂任务。

但是Südhof无法知道到底存在多少个突触蛋白亚型，直到去年他与工程学院的Quake教授的一次座谈。Quake开辟了测定DNA序列的新途径。

这项发表在《PNAS》的研究，代表神经学家和生物工程师之间一年之久的合作成果，这项合作研究旨在更好地理解“不同的轴突蛋白如何影响突触行为”，从而根本理解正常的脑功能和神经系统疾病，如孤独症。这些发现有助于阐明大脑如何工作，并提高我们对于神经系统疾病的认识。

在细胞内，有一种分子机器可解压缩一段双链DNA分子，产生一个RNA分子。RNA分子是编码到DNA的所有遗传指令的一个拷贝。但是只有这种RNA分子的特定区域，才包含制造一种特殊蛋白的指令。细胞有办法去除不必要的区域，将蛋白编码区剪接成更短的RNA分子（称为信使RNA或mRNA）。因此，每个mRNA都包含制造一个特殊蛋白的所有指令。

为了开始这项实验，Südhof实验室的分子/细胞生理学博士后Ozgun Gokce，和Quake实验室的博士后Barbara Treutlein，从小鼠前额叶皮质提取脑细胞，然后提取包含在这些组织中的RNA。

于是，他们从这个大的RNA库中，发现了表达轴突蛋白的mRNA。他们通过设计的设备运行这些信使分子，读取制造突触蛋白家族中一个特殊亚型的化学指令的全长序列。

Quake实验室擅长使用新的仪器，这可让研究人员能够读取一段mRNA链化学物质的全长序列，从而使他们能够确切地查明，这个信使分子被运送到细胞内蛋白制造机械的什么方向。Treutlein解释说：“在几年前，还不可能进行这个实验。”

轴突蛋白的mRNAs是很长的核苷酸（编码遗传信息的化学物质）链。直到最近，才有仪器能够读取这种长核苷酸链的精确序列。

因为轴突蛋白有25个组成部分，所以读取每个mRNA全序列的能力是必不可少的。但是，每当神经元制造一个蛋白拷贝的时候，并不都使用所有这些部分。轴突蛋白的亚型具有这25个可能部分的不同组合。本实验旨在探寻“到底存在多少个轴突蛋白亚型，以及这些亚型的每一个有多么普遍”。

研究人员分析了超过25,000个全长轴突蛋白mRNAs。他们发现了450个异构体。每种异构体都缺少25种可能组分中的一个或多个。这些异构体大多数很少发生。一些组成了主要的亚型。

虽然斯坦福大学的科学家已经测定了25,000个mRNAs序列，发现了450个异构体，但他们认为，如果他们测定更多的mRNAs，他们会发现更多的亚型——他们估计至少存在2,500个轴突蛋白家族亚型。

Treutlein指出：“我们看到这么多亚型，这一事实支持神经学家们已经发现的一个理论——这些蛋白异构体可引起突触连接的巨大多样性。”

该实验也提出了未来研究的许多问题。例如，主要亚型与罕见异构体都执行什么功能？包含或排除组分会如何影响那种亚型及其作用的突触？Gokce表示：“这个实验就像是地面上的一次飞行。现在我们必须下降去看一下细节。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Cartography of neurexin alternative splicing mapped by single-molecule long-read mRNA sequencing
Abstract: Neurexins are evolutionarily conserved presynaptic cell-adhesion molecules that are essential for normal synapse formation and synaptic transmission. Indirect evidence has indicated that extensive alternative splicing of neurexin mRNAs may produce hundreds if not thousands of neurexin isoforms, but no direct evidence for such diversity has been available. Here we use unbiased long-read sequencing of full-length neurexin (Nrxn)1α, Nrxn1β, Nrxn2β, Nrxn3α, and Nrxn3β mRNAs to systematically assess how many sites of alternative splicing are used in neurexins with a significant frequency, and whether alternative splicing events at these sites are independent of each other. In sequencing more than 25,000 full-length mRNAs, we identified a novel, abundantly used alternatively spliced exon of Nrxn1α and Nrxn3α (referred to as alternatively spliced sequence 6) that encodes a 9-residue insertion in the flexible hinge region between the fifth LNS (laminin-α, neurexin, sex hormone-binding globulin) domain and the third EGF-like sequence. In addition, we observed several larger-scale events of alternative splicing that deleted multiple domains and were much less frequent than the canonical six sites of alternative splicing in neurexins. All of the six canonical events of alternative splicing appear to be independent of each other, suggesting that neurexins may exhibit an even larger isoform diversity than previously envisioned and comprise thousands of variants. Our data are consistent with the notion that α-neurexins represent extracellular protein-interaction scaffolds in which different LNS and EGF domains mediate distinct interactions that affect diverse functions and are independently regulated by independent events of alternative splicing.