神经元的基因表达差异与功能差异的关联

研究人员比较了果蝇的一对表面相似的运动神经元，以研究同一基因组的不同使用是如何使运动神经元在形式和功能上产生差异。

　　

尽管驱动神经元发育和功能的途径已经被深入研究，但大脑中神经元亚型的多样性是如何建立和维持的，仍然知之甚少。随着单细胞转录组学的出现，决定神经元形态、连接和功能的mRNA表达谱正在被确定。多样性的一个特征是在不同的神经元类别中观察到的独特的突触特性。突触是信息处理的基本组成部分，具有独特的突触囊泡(SV)释放概率(Pr)、反应动力学和短期可塑性。但共同决定突触结构和输出差异的差异表达基因(DEGs)仍然是未知的。

“在神经科学领域，全球都在努力识别所有不同类型的神经元，以定义它们的独特属性和基因表达谱。”弄清楚如何从数千种基因的独特表达谱中发育出数百种不同的大脑细胞，不仅可以促进对大脑在健康状态下如何工作的理解，还可以帮助我们了解疾病中出现的问题。麻省理工学院的一项新研究在果蝇的两种神经元类型中精确地探测了这种“分子逻辑”，表明：即使是相似的细胞也会以不同方式发展出不同的功能。

Picower学习与记忆研究所的一组神经生物学家比较了果蝇的一对表面相似的运动神经元，发现这两种密切相关的神经元亚型在表达800多个基因的方式上存在差异——占果蝇基因组编码基因总数的5%左右。通过操纵表达差异最大的基因，科学家们展示了如何在细胞之间产生几种可观察到的差异的。文章发表在《神经元》杂志上。

“在神经科学领域，全球都在努力识别所有不同类型的神经元，以定义它们的独特属性和基因表达谱，”该研究的资深作者、麻省理工学院生物、大脑和认知科学系的神经科学教授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这些特定神经元上的工具包，以指出哪些神经元可能在特定的大脑疾病中受到的影响最大。”“我们想用果蝇作为一种方法，看看我们是否可以确定两个相似神经元的转录组如何被不同地使用，以了解哪些关键基因指定了它们独特的结构和功能特性。”

在显微镜下

研究中比较的两种神经元类型都来自果蝇，通过在连接突触释放神经递质谷氨酸来控制肌肉。两种神经元的主要功能区别在于，phasic神经元与许多肌肉相连，偶尔会释放出大量的谷氨酸，而 tonic神经元只与一块肌肉相连，提供更多的持续滴入的谷氨酸。这种二元性，也存在于人类大脑的神经元中，提供了一个灵活的控制范围。

Picower研究所博士后Suresh Jetti领导了这项研究，以确定这两种神经元是如何形成它们的差异的。该团队首先对这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。           

近距离观察， tonic 神经元和 phasic神经元表现出多种重要差异。phasic神经元在单个肌肉上产生的突触比tonic神经元少，但由于它们支配的肌肉更多，phasic神经元必须产生的突触总数大约是tonic神经元的四倍。由于更广泛地到达树突(通向细胞的分支)，tonic神经元从其他神经元获得更多的输入。在输出端，phasic神经元在受到刺激时会产生更强大的信号，并且比tonic神经元更容易发出信号。分析表明，促进谷氨酸释放的突触部位，称为活跃区(AZs)，在phasic神经元中比tonic神经元吸收更多的钙离子。

一个特别有趣的新发现是，tonic和phasic神经元中的活跃区呈现不同的形状。tonic活跃区是圆形的，就像甜甜圈一样，而phasic活跃区则更像三角形或星形。利特尔顿假设，这种差异可以让更多的钙离子涌入相活动区域，这也许可以解释与强亢神经元相比，它们释放谷氨酸的频率更高。

表达他们的不同

为了评估基因表达，Jetti采用了一种名为“Isoform-Patch-seq”的技术，他在数百只果蝇中识别出完全相同的tonic 和 phasic神经元，并从它们的单个细胞核和细胞体中提取RNA。利特尔顿说，这项技术虽然非常艰苦，但却为研究小组提供了异常丰富的转录组信息，这些信息来自感兴趣的细胞，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编辑的不同之处。

总的来说，822个基因的表达在两种神经元类型之间存在显著差异。已知约有35个基因有助于引导轴突分支的生长，神经元延伸轴突分支以形成与肌肉的连接——这一系列差异与为什么tonic神经元只支配一块肌肉而Phasic神经元支配许多肌肉有关。其他差异表达的基因与突触的结构和功能有关，而另外20多个基因表明，每个神经元敏感的神经调节化学物质作为输入存在差异。

研究小组发现，转运蛋白在phasic神经元中的表达更为显著，这或许可以解释它们是如何跟上在许多肌肉中形成更多突触的更大需求的。研究小组还发现，tonic神经元表达“唾液化”基因，将糖附着在突触膜上的蛋白质上，而phasic神经元表达独特的“泛素”基因，分解蛋白质。 

在记录了哪些基因最显著地不同之后，研究小组开始通过破坏它们的功能来确定它们的作用，并观察它们是如何影响细胞的。

例如，Jetti、Littleton和同事们发现，干扰特定的泛素化基因会导致phasic性神经元突触过度生长。同时，破坏唾液化会导致tonic神经元突触生长不足。tonic神经元也表达了40倍的Wnt4基因，破坏Wnt4会减少这群神经元的突触生长。

科学家们还发现，phasic神经元表达的钙离子缓冲基因比tonic神经元多30倍。当他们对该基因进行突变以破坏其功能时，他们发现，通常具有较低基线钙水平的phasic神经元，现在显示出与tonic神经元相似的较高的静息钙。

在另一项实验中，他们表明，他们可以通过干扰每个神经元高度表达的细胞骨架基因，明显地破坏每个细胞的AZ形状。当研究小组减少了phasic神经元大量表达的基因时，它们的活跃区变长了，但tonic活跃区不受影响。当研究小组减少一个phasic神经元高度表达的基因时，它们的活跃区变得不那么圆，而不影响phasic细胞的活跃区。

总之，这一分析使研究小组能够开始构建导致这两种细胞不同的分子差异的模型，尽管利特尔顿说，他们仍有更多的工作要做，以了解基因表达差异的全部内容如何定义这两种神经元亚型的独特特性。