焦点报道:川大团队发现神经元进化缺失
来源：DeepTech深科技 2023-06-17 12:36:34
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1997 年，从高中考上北京大学生命科学学院以来，26 年间始终在和生命科学打交道。从北大博士毕业之后，他来到哈佛大学医学院做了 6 年的博士后研究。2013 年，回国加入四川大学生物治疗国家重点实验室担任研究员至今。 就在前不久，他和团队在Nature 子刊发了一篇论文。对于他来说，这是一项“绝唱”型研究。因为自此以后，他将彻底“转战”微生物免疫领域。 在 Nature 子刊这篇论文中， 他和团队探索了神经元自我识别的机制，能够加深人们对于神经发育的理解。虽然距离实际应用还比较远，但会给神经系统疾病的治疗带来潜在帮助。 针对从昆虫 Dscam 到脊椎动物 cPcdh 进化上的巨大差距，这项成果补上了缺失的一环， 填补了神经元表面识别分子领域的一个重要空白，为理解神经元细胞自我识别的分子机制做出了重要贡献。研究中所使用的活细胞信号记录方法，获得了评审专家的高度评价。 （来源：Nature Communications） 此前，学界在在研究细胞表面受体的顺式作用时，都是先把细胞裂解然后再进行检测，这有可能会产生非特异性作用，从而影响实验结果的可靠性。 “相比之下，我们开发的这种方法可以在活细胞状态下检测顺式作用信号。如果细胞表面发生了顺式作用，这个信号就会被酪氨酸磷酸化记录下来。这时，将细胞裂解并检测磷酸化水平，这样一来顺式作用信号的记录先于细胞的裂解，从而让实验结果更准确。”说。 另外，研究中他们尝试引入数学模型，来解释神经元的自我身份识别。“但是审稿人认为我们的假设没有实验基础。事实上，在复杂的生命体系中引入数学模型做一些假设，我觉得是不可避免的。在第一次修改中，我们完善了数学模型，并提供了更加详细的解释，可惜并没有说服审稿人。第二次修改时，我们不得不删掉这部分内容，感觉审稿人有点苛刻了，让我们这篇论文少了一个亮点。”说。 （来源：Nature Communications） 果蝇 Dscam 和人类 cPcdh 之间的“鸿沟”而本次研究要从 2013 年说起，那时刚回到国内的对大脑和神经系统的研究十分感兴趣。他觉得这是生命科学中最复杂、也是最有挑战性的课题组之一。 一个成年人的大脑大约有 10 11 个神经元，而每个神经元又由 1 千到 1 万个靶细胞建立连接，最终形成一个犹如森林般复杂的神经网络。为了实现精准的神经突触连接，神经元细胞必须能够识别“自我”与“非我”。 对于一些细胞表面受体蛋白来说，它们通过表达高度多样化的异构体，赋予神经元以独特的细胞身份，这样一来神经元就有了“身份证”，从而实现不同神经元之间的特异性识别。 在这种细胞表面受体中，包含果蝇的 Dscam、以及哺乳动物的 cPcdh 等。果蝇的 Dscam 有 3 万多种异构体，而人类的 cPcdh 只有 52 种异构体，尽管二者在异构体数目上有着巨大差距，但却行使着类似的生理功能，这让学界一直感到非常不解。也觉得，似乎有一道“鸿沟”横亘在二者之间。 2016 年，他和团队在 Science Advances上发表一篇关于果蝇 Dscam 的论文。研究中，课题组针对分子自我识别的结构基础加以详细解释，并指出此前一篇Nature论文中的两处错误，同时还提出一个普遍适用于蛋白质相互作用的“整体约束”机制。 同年，浙大团队揭示了螯肢动物中的一种缩短型 Dscam，称为 sDscam。果蝇 Dscam 有 16 个结构域，而 sDscam 只有 6 个结构域。发现，缩短的 sDscam 恰好保留了与其信号分子 Netrin 相互作用的结构域。 这说明在进化过程中，至关重要的功能结构域会被保留下来。尽管 sDscam 的蛋白构成与果蝇 Dscam 相似，但是基因的组织排列方式却与脊椎动物 cPcdh 相近。而 sDscam 的异构体数目，则介于果蝇 Dscam 与脊椎动物 cPcdh 之间，呈现一种过渡状态。 这意味着，对于研究神经元细胞表面识别分子的进化来说，sDscam 能够提供独特的样本。“我本人比较擅长做结构研究，于是我们课题组就从结构入手，解析了十几个 sDscam 的晶体结构。”表示。 （来源：Nature Communications） 结合功能实验结果他们揭示了如下规律：在不同细胞之间，sDscam 的相互作用方式与果蝇 Dscam 是相同的；而在同一个细胞表面，sDscam 的作用方式又与脊椎动物 cPcdh 呈现相似性。 该团队由此指出：sDscam 在细胞表面会形成拉链式的结构，这种机制可以使用较少的异构体数目，从而为数目庞大的神经元细胞提供身份识别，进而帮助人们理解神经元细胞表面识别分子的多样性进化。 最初，认为 sDscam 比果蝇的 Dscam 短很多，因此希望能够解析整个胞外结构域的完整结构，甚至想要得到 sDscam 胞外全长与信号分子 Netrin 的复合物结构，这样就能对 sDscam 介导的自我识别和轴突导向产生更完整、更清晰的了解。 然而很遗憾的是，螯肢动物的 Netrin 蛋白很难被表达。在针对胞外全长 sDscam 的研究中，虽然课题组成果获得了晶体，但是由于衍射能力弱和各向异性的原因，导致他们无法收集到能被使用的衍射数据。 在此之后，他们把 sDscam 分成几个片段来做，虽然收获了几套衍射数据，但是一直无法解决相位信息，自然也就无法解析出来对应的结构。 程婕同学主要负责本次课题，她从硕士开始做起，直到临近博士毕业才算完成。说：“因为中间遇到困难，有一年半左右就搁置了。不过我一直惦记着这个课题，有了新想法和新技术之后，我们把它捡了起来。” 即便如此，课题的推进依旧艰难。那时，临近博士毕业的程婕感到十分焦虑，作为导师的也是压力山大。 那段时间，师生二人一直在寻找突破口。直到 AlphaFold 问世，研究终于迎来转机。该团队借此预测了蛋白结构模型，并以此作为初始相位信息。在反复尝试之后，他们通过分子置换的方法，终于解析了 sDscam 的晶体结构。 （来源：Nature Communications） 而在进行功能实验时，课题组也遇到了一些困难。其中，最大的困难是在检测 sDscam 的顺式相互作用时，采取传统实验方法会导致非特异性太高，进而致使实验结果不够准确。 为解决这一问题，他们将 sDscam 与一个酪氨酸激酶进行融合。如此一来在活细胞状态下如果发生顺式作用，这个信号就会以磷酸化的形式被固定下来，从而避免受到后续实验步骤的影响。 至此，研究正式结束。最终，相关论文以《螯合虫 sDSCAM 自我识别的结构基础》（）为题发在Nature Communications上[1]，程婕是第一作者，担任通讯作者。 图 | 相关论文（来源：Nature Communications） “虽然过程比较艰辛，但是最后也算是一个 Happy Ending。程婕顺利获得博士学位，目前在我课题组做博士后，而且很快就要做妈妈了。我一直秉持的理念是，做科研和做人一样最重要的是开心（笑）。我希望大家能够愉快地做科研，我也一直在课题组内营造这样的气氛。”说。 如前所述，本次研究并没有后续计划。表示当初回国时自己想做神经发育的研究，但是很快就发现根本做不下去，主要原因是经费不够。 “之后我和其他老师合作，开始做药物靶点和小分子药物复合物的结构研究，以用于药物优化和探究药物作用机制，后来也发了不少论文。值得一提的是，我们生物治疗国家重点实验室在药物研究方面颇具特色，而且也很有实力。”说。 但是，很快他发就现这样的合作方式，会让自己的研究方向过于分散。他还是希望自己能在某个领域做深入的系统性研究。 考虑到基因编辑工具 CRISPR-Cas9，正是从细菌的获得性免疫系统中被发现的，因此转为研究微生物免疫，即研究细菌和噬菌体的“战争”，希望从它们的“武器库”中发现一些宝藏。 另一个重要原因在于实验费用比较低。“我在这里想吐槽一下，生命科学研究有一个很大的缺点，就是对科研经费的依赖性太强。做实验要花很多钱，科研仪器也很贵，即便你有很好的想法，没有经费也很难做出东西来。”说。 那么，研究微观世界的“战争”，到底有哪些意义？他表示，在漫长的进化过程中，细菌与噬菌体激烈的“军备”，竞赛让细菌产生了多种多样的防御系统。 从这些防御系统中，学界已经发现了限制性内切酶和 Cas9 等生物工具，也为分子生物学研究和疾病治疗带来了革命性变化。 这个领域的迷人之处在于细菌的种类非常丰富，各种防御系统之中蕴藏着无尽可能，有些蛋白的结构和功能是人们见所未见、闻所未闻的。因此，觉得这个领域的发展非常令人期待。 参考资料：
, J., Yu, Y., Wang, X., Zheng, X., Liu, T., Hu, D., ... & Chen, Q. (2023). Structural basis for the self-recognition of sDSCAM in Chelicerata.Nature Communications,14(1), 2522.
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