生命学院何水金课题组开发神经系统在体印迹新技术

ON2021-11-02文章来源 生命科学与技术学院CATEGORY新闻

近日,生命学院何水金课题组在知名学术期刊Cell Reports在线发表题为“PUPIL enables mapping and stamping of transient electrical connectivity in developing nervous systems”的研究论文。该研究将生命学院庄敏课题组开发的邻近标记技术PUP-IT改造为基于类泛素化系统的组织内可视化标记方法PUPIL (pupylation-based interaction labeling),在小鼠皮质中将PafA基因与电突触蛋白CX26融合表达,可视化追踪神经系统电突触曾经发生的亚细胞定位,并发现早期神经元间建立的电突触连接与树突分支生长和化学突触形成相关。该论文展现了PUPIL在可视化标记和印迹应用中的巨大潜能,也为皮层发育早期电突触参与化学突触形成提供了新的依据。



大脑是哺乳动物体内最复杂精细的器官,赋予了人类语言、情绪、抽象思维等高级功能。这些功能依赖于神经元之间的信息传递,主要通过神经元间的突触进行,突触可按传递的方式分为化学突触和电突触两大类。电突触由相邻胞膜上的缝隙连接半通道六聚体对接形成;其允许电流双向通过,也是众多信号分子的通道。很多研究表明,皮质兴奋性神经元间丰富的电突触连接仅在小鼠发育胚胎期和出生一周短暂存在;随后,电突触被化学突触取代。目前, mGRASP荧光标记等技术被广泛运用于化学突触的研究中,然而高效的电突触标记方法却十分匮乏;尤其是印迹发育中短暂表达电突触的方法更是不存在。

该方法可应用于电突触标记和印迹,以此探究电突触在皮质神经元发育过程中发挥的作用。实验表明,CX26-PafA可催化产生显著且特异的点状信号。经抗体免疫染色、免疫电镜和电生理记录验证,这些生物素信号正是电突触存在的位置,表明PUPIL能够在小鼠发育皮质中有效且特异地标记短暂存在的电突触。而且,基于PUPIL催化原理,电突触形成的标记可持续保留至神经元成熟,PUPIL的印迹信号大部分位于神经元的树突分支点并且与化学突触蛋白共标,表明电突触可能与神经元树突生长和发育以及化学突触的形成有关。研究表明,PUPIL在化学突触的标记与印迹也具有较大的潜能,与splitGFP或者GCaMP6f结合应用,能够在活体组织中进行可视化成像。PUPIL就像是生命旅途的“照相机”,记录着目标蛋白的轨迹。

本论文中,何水金课题组2018级博士研究生谢书为第一作者,何水金教授为本文的通讯作者,庄敏教授和刘强博士参与了本课题,上海十博体育软件下载大学为第一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委和上海十博体育软件下载大学的经费资助,以及上科大生命学院分子影像平台、上科大生物电镜平台以及十博体育软件下载科学院脑科学与智能技术卓越创新中心电镜平台的大力支持。

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图:经电生理记录和免疫电镜成像验证,PUPIL可在小鼠皮质发育中标记椎体神经元中的电突触。