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新型质谱手艺让神经化学研究进进单细胞时期

发布时间:2017/11/30 00:00

 

 世界上没有两片完全不异的叶子,细胞也是。但是,科学家们在进行现代生物学研究时,大多时辰都考查的是细胞群体,而疏忽了细胞异质性。

  就拿神经细胞来讲,大脑中有亿万个神经细胞,这些神经细胞在细胞形态,突触保持,细胞布局,电心理和心理功能上具有高度的多样性。分歧种类的神经细胞中,其基因组、卵白组、化学份子构成、含量、代谢也都有着很大的不同。在直径不到1毫米的一个很小的脑区,可能就存在几十种乃至上百种完全分歧的神经元和胶质细胞类型。乃至良多环境下,即便物理间隔上相邻的两个神经元也多是两个分歧的神经元类型。是以,对脑内单个神经元的基因组、卵白质组和代谢组进行阐发,具有主要的生物学价值。

  单细胞手艺在最近几年成长很是敏捷,好比单细胞测序,已普遍利用于各类生命学科的研究。2014年1月Nature Methods上颁发的年度出格报导,将“单细胞测序”(Singled out for sequencing)的利用列为2013年度最主要的方式学进展。

  单细胞手艺不但在测序方面获得了极猛进展,单细胞质谱阐发也正在逐步获得更多的存眷。与用在线液质联用于阐发单个细胞基因组的单细胞测序分歧,单细胞质谱首要是研究单个细胞内的代谢物环境,例如化学小份子的构成、含量和代谢等等。单细胞质谱的上风在于可以高通量检测今朝其它单细胞手艺没法检测的小份子化合物,和它们的代谢进程。同时,因为质谱自己的上风,不需要采纳测序或特异性抗体等外部手段,便可以切确阐发检测到的化学物资信息,可以说是“物美价廉”。 不外,因为质谱手艺自己的局限性,今朝还没法做到近似单细胞测序那样的大范围丈量。

    多学科交叉合作,开辟单神经细胞质谱

  2013年,熊伟传授竣事了在美国国立卫生研究院的博士后研究工作,回国后插手了中国科学手艺大学生命科学学院。在申请中组部“青年千人打算”时,熊伟传授熟悉了另外一位中科大化学学院的“青千”黄光亮传授,那时,黄光亮传授课题组正在成长一种小样品(pL级别)质谱丈量手艺。颠末屡次会商,他们决议将两个尝试室的上风手艺进行连系,开辟单神经细胞质谱这一新手艺。

  今朝质谱手艺在神经科学中的利用,首要仍是采取对大量组织细胞匀浆后的样品进行阐发。在单细胞检测中,质谱阐发由于具有高活络度,大的线性规模和高通量阐发化学份子的特点,逐步被用于单细胞的细胞代谢阐发。但今朝的方式需要利用大量有机试剂对细胞进行处置,没法连结采样时细胞的活性;冗杂的处置和分手进程也致使较慢的阐发速度,没法短时候内完成大量单细胞阐发;并缺少来自统一细胞的电心理旌旗灯号;终究致使单细胞代谢物的质谱阐发没法大范围用于神经细胞的阐发。

  新手艺让质谱阐发活体单个神经元成为实际

  2017年1月26日,熊伟传授与黄光亮传授等人在PNAS上颁发了一项题为“Single-neuron identification of chemical constituents, physiological changes, and metabolism using mass spectrometry”的研究。在这项新研究中,研究团队依托电心理膜片钳和电喷雾离子源手艺成立了一种不变的单神经元胞内组分取样和质谱组分阐发手艺。

  

 

  膜片钳与单细胞质谱阐发联用手艺阐发单个神经细胞示意图

  电心理膜片钳能将玻璃微电极接触并吸附在细胞膜上,高阻抗封接后将膜打穿成孔,记实膜片之外部位的全细胞膜的离子电流。而电喷雾手艺首要是操纵一个高压交换电使阐发物被离子化然后被质谱检测,该离子源具有较强的抗干扰能力。与传统的质谱方式比拟,这一新方式最大的上风是可以原位对活细胞进行取样,而且同时收集细胞位置、电心理勾当和细胞内化学成份等多方面的信息。

  质谱阐发让神经化学研究进进单细胞程度

  研究职员操纵这一方式对小鼠海马、前额叶、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元内的数千种化学小份子进行了快速质谱检测,并同步收集了电心理旌旗灯号。

  海马、前额叶、杏仁核、纹状体这四个核团不管是在人类仍是低等动物中都很是主要,与进修、记忆和情感等行动和相干疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等有着紧密亲密的联系。这些核团内的神经元种类繁多,今朝国表里有多个课题组正在从单细胞测序的角度解析这些核团的神经元分类及对其功能进行判定。熊伟传授暗示,他们对这四个核团神经元进行质谱研究,也恰是想从单细胞程度周全阐发这些核团神经元的代谢组学环境,和这些代谢通路和代谢组在进修、记忆和情感等行动及其相干疾病中的感化机制。

  在这项研究中,研究职员首要对分歧春秋段的小鼠海马、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元中的谷氨酰胺(Gln)、谷氨酸(Glu)和GABA等化学小份子进行定性、定量阐发并对其进行神经元分类。

  Glu和GABA是中枢神经系统两大类神经递质(兴奋性或按捺性)的代表性份子。初期人们以为一个神经元内只存在一种递质,其全数末梢只能开释统一种递质,这被称之为戴尔原则(Dale's principle)。但是跟着科学手艺的成长,人们逐步熟悉到两种或两种以上递质(包罗调质)可存在于统一神经元内,在恰当的刺激下可经突触前膜配合开释。这类新的不雅点获得了浩繁电心理及免疫组化等尝试的证实。但是这些证据大部门都是间接的证据,还没有直接证据表白两者的共存。这项研究初次在单细胞程度,经由过程质谱阐发给出了两者共存于统一神经元内的直接证据。同时,研究职员还发现了英福康氦质谱检漏仪一些还没有在神经系统中被发现的小份子,他们正在尽力研究其感化和份子机制。

  另外,研究还判定了单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径。Gln-Glu-GABA通路是谷氨酸和GABA代谢的经典通路,特别是谷氨酸,它不但仅作为兴奋性神经递质存在于神经元内,还大量介入到卵白质的合成代谢和细胞能量供给系统中。而GABA是中枢神经系统的按捺性递质,可以避免神经细胞过度兴奋。两者与各类脑疾病都有着紧密亲密的关系,如自闭症、阿尔茨海默病、帕金森病等。该通路在大脑的发育和朽迈中饰演着很是主要的脚色。对单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径的判定对深切理解这条代谢通路和与之相干的疾病机制具有主要意义。

  这项研究初次操纵化学质谱方式直接无稀释地检测单个神经元中多种神经递质、代谢物、脂质等化学小份子,对单个神经元化学成份及代谢物进行了即时阐发,并将今朝神经细胞成份阐发的研究推向了一个活细胞及单细胞程度。这一手艺在未来也许可以或许帮忙科学家们在单细胞条理上往研究神经生物学、代谢组学、毒理学等生命科学的重大题目。

  谈光临床利用远景时,熊伟传授的立场也十分必定。他暗示,该手艺许可研究职员对血液、脑脊液等样品中的单个细胞进行质谱检测,连系响应的生物标识表记标帜物,完全有可能对阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等神经精力疾病的初期诊断供给帮忙。

   熊伟传授从事神经科学研究,他以为现代神经科学研究需要手艺的快速研发和多范畴多学科的交叉合作,必需成长包罗显微成像、份子示踪、质谱阐发、光遗传学和转基因操纵等最新的生物、物理、化学与工程材料等多学科交叉手艺。熊伟传授暗示,对他而言,科研不但仅是工作,也是乐趣,特别是对新手艺的热切寻求,驱动着他不竭前行。熊伟传授及其研究团队也正在和中国科大的其它尝试室睁开合作,和分歧的范畴的科学家交换和分享科研心得是一种享受。

  该项工作由中科有机质谱大生命学院博士后朱洪影、生命学院博士研究生邹桂昌、王宁在熊伟传授和黄光亮传授的配合指点下完成。该研究工作获得了国度天然科学基金委重大研究打算、科技部、中科院计谋性先导科技专项(B类)和国度青年千人打算等的帮助。该工作还获得中国科学手艺大学同步辐射尝试室光电离质谱线站的仪器与手艺撑持。 

 

  熊伟 传授

  熊伟传授是国度中组部“青年千人打算”取得者,2001年结业于北京大学生命科学学院,获理学学士学位。2006年结业于北京大学生命科学学院,获理学博士学位。2006至2013年,在美国国立卫生研究院(NIH)酒精滥用与酒精中毒研究所(NIAAA)做博士后研究工作。2013年3月插手中国科学手艺大学生命科学学院。中科院脑科学与智能手艺出色立异中间主干成员。中科大神经退行性疾病研究中间暨脑资本库焦点成员。持久从事与神经化学、药理学、小份子药物研发相干的神经科学研究,应用多种进步前辈的尝试手艺从份子、细胞程度、到动物行动进行了深切系统的研究,并获得了系列主要功效。研究工作颁发在Nature Neuroscience, Nature Chemical Biology, Journal of Experimental Medicine, PNAS, Journal of Neuroscience, Molecular Pharmacology等国际学术期刊上。取得过量项国度级基金帮助。

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