新技术识别活脑中的蛋白质——提供对脑部疾病和治疗的洞察力
博士 候选 Vasin Dumrongprechachan 捕获小鼠大脑中的蛋白质表达，用于质谱分析，通过荧光显微镜观察。图像显示了小鼠纹状体的矢状截面。蓝色是大脑的轮廓。绿色和品红色显示用于质谱分析的选择性标记蛋白质。来源：西北大学
该工具可以帮助研究人员更好地了解脑部疾病和潜在的治疗方法。
研究人员首次开发出一种成功的方法来识别活体动物大脑中不同类型神经元内的蛋白质。
由西北大学和匹兹堡大学领导的这项新研究为了解大脑数百万种不同的蛋白质迈出了一大步。作为包括神经元在内的所有细胞的组成部分，蛋白质是更好地理解复杂的脑部疾病（如帕金森氏症和阿尔茨海默氏症）的关键，这可能导致新疗法的发展。
该研究发表在《自然通讯》杂志上。
在这项新研究中，研究人员设计了一种病毒，可以将一种酶发送到活老鼠大脑中的一个精确位置。该酶源自大豆，在预定位置对其相邻蛋白质进行遗传标记。在通过荧光和电子显微镜对大脑进行成像验证了该技术后，研究人员发现他们的技术拍摄了活神经元内的整套蛋白质（或蛋白质组）的快照，然后可以用质谱进行死后分析。
“以前在细胞培养中也做过类似的工作。但培养皿中的细胞与大脑中的细胞不同，它们在相同的地方没有相同的蛋白质做相同的事情，”该研究的资深作者，西北大学的叶夫根尼亚·科佐罗维茨基说。“在小鼠大脑的复杂组织中进行这项工作更具挑战性。现在我们可以利用蛋白质组学的能力，将其放入更逼真的神经回路中，并具有出色的遗传牵引力。”
通过对蛋白质及其邻居进行化学标记，研究人员现在可以了解蛋白质如何在特定的受控区域内发挥作用，以及它们如何在蛋白质组中相互配合。除了携带大豆酶的病毒外，研究人员还使用他们的病毒携带了一种单独的绿色荧光蛋白。
“病毒本质上是我们传递的信息，”科佐罗维茨基说。“在这种情况下，信息中带有这种特殊的大豆酶。然后，在另一条消息中，我们发送了绿色荧光蛋白，向我们展示了哪些神经元被标记了。如果神经元是绿色的，那么我们就知道大豆酶在这些神经元中表达。”
Kozorovitskiy 是 Soretta 和 Henry Shapiro 分子生物学研究教授，西北大学温伯格文理学院神经生物学副教授，也是生命过程化学研究所的成员。她与匹兹堡大学医学中心精神病学助理教授马修麦克唐纳共同领导了这项工作。
蛋白质靶向正在迎头赶上
虽然基因靶向已经彻底改变了生物学和神经科学，但蛋白质靶向却严重落后。研究人员可以对基因和RNA进行扩增和测序，以确定它们的确切组成部分。然而，蛋白质不能以相同的方式进行扩增和测序。相反，研究人员必须将蛋白质分成肽，然后将它们重新组合在一起，这是一个缓慢且不完美的过程。
“我们已经能够通过基因和 RNA 测序获得很大的吸引力，但蛋白质已经脱离了循环，”Kozorovitskiy 说。“然而，每个人都认识到蛋白质的重要性。蛋白质是我们细胞中的最终效应物。了解蛋白质的位置、它们的工作方式以及它们之间的相对工作方式非常重要。”
“基于质谱的蛋白质组学是一种强大的技术，”博士 Vasin Dumrongprechachan 说。Kozorovitskiy 实验室的候选人和该论文的第一作者。“通过我们的方法，我们可以开始以高精度和特异性绘制各种大脑回路的蛋白质组。我们甚至可以量化它们，看看有多少蛋白质存在于神经元和大脑的不同部位。”
下一步：更好地了解脑部疾病
现在这个新系统已经过验证并准备就绪，研究人员可以将其应用于疾病小鼠模型，以更好地了解神经系统疾病。
Dumrongprechachan 说：“我们希望扩展这种方法，开始识别在特定的大脑活动模式或神经活性药物诱导的变化中发生的神经元蛋白质的生化修饰，以促进临床进展。”
“我们期待将其应用于与脑部疾病相关的模型，并将这些研究与人脑中的死后蛋白质组学工作联系起来，”Kozorovitskiy 说。“它已准备好应用于这些模型，我们迫不及待地想要开始。”
参考： V. Dumrongprechachan、RB Salisbury、G. Soto、M. Kumar、ML MacDonald 和 Y. Kozorovitskiy 撰写的“细胞类型和亚细胞区室特异性 APEX2 邻近标记揭示了纹状体中活动依赖的核蛋白质组动力学” ，8 月 11 日2021，自然通讯。
DOI: 10.1038/s41467-021-25144-y
该研究得到了美国国家心理健康研究所（奖励编号 R56MH113923、R01MH117111 和 R01MH118497）、国家神经疾病和中风研究所（奖励编号 R01NS107539）、美国国家科学基金会（CAREER 1846234）、美国心脏协会（奖励编号 19PRE34380056）的支持)、贝克曼青年研究员奖、塞尔学者奖、丽塔艾伦基金会学者奖和斯隆研究奖学金。