新技术识别活体大脑中的蛋白质

研究人员首次开发出一种成功的方法，可以识别活体动物大脑中不同类型神经元中的蛋白质。

由美国西北大学和匹兹堡大学领导的这项新研究为理解大脑中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大脑疾病的关键，如帕金森氏症和阿尔茨海默症，这可能导致新的治疗方法的开发。

这项研究将于8月11日发表在《自然通讯》(Nature Communications)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。从大豆中提取的这种酶，在遗传上将邻近的蛋白质标记在预定的位置。在用荧光和电子显微镜对大脑成像验证了这项技术后，研究人员发现他们的技术拍摄了活神经元内全部蛋白质(或蛋白质组)的快照，然后可以在死后用质谱分析。

“类似的工作以前也在细胞培养中做过。但是培养皿中的细胞并不像大脑中的细胞那样工作，它们在相同的地方没有相同的蛋白质在做相同的事情。”西北大学的Yevgenia Kozorovitskiy说，他是该研究的资深作者。“在老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强大能力，利用极佳的遗传牵引力，将其应用到更现实的神经回路中。”

通过对蛋白质及其邻体进行化学标记，研究人员现在可以了解蛋白质在特定的受控区域内是如何工作的，以及它们在蛋白质组中是如何相互作用的。除了携带大豆酶的病毒外，研究人员还使用病毒携带一种单独的绿色荧光蛋白。

Kozorovitskiy说:“这种病毒本质上是我们传递的一个信息。在这种情况下，信息携带了这种特殊的大豆酶。然后，在一个单独的信息中，我们发送绿色荧光蛋白来显示哪些神经元被标记了。如果神经元是绿色的，那么我们就知道这些神经元中表达了大豆酶。”

蛋白质靶向扮演着追赶的角色

虽然基因靶向已经完全改变了生物学和神经科学，但蛋白质靶向却不幸地落后了。研究人员可以对基因和RNA进行扩增和排序，以确定它们的确切组成部分。然而，蛋白质不能以同样的方式扩增和测序。相反，研究人员必须将蛋白质分成多肽，然后再将它们组合在一起，这是一个缓慢而不完美的过程。

Kozorovitskiy说:“我们已经能够在基因和RNA测序方面取得很大的进展，但蛋白质还没有参与进来。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器。了解蛋白质在哪里，它们如何工作，以及它们之间的相互作用是非常重要的。”

“以质谱为基础的蛋白质组学是一项强大的技术，”Vasin Dumrongprechachan说，他是Kozorovitskiy实验室的博士候选人，也是这篇论文的第一作者。“通过我们的方法，我们可以开始绘制各种大脑回路的蛋白质组，具有高精度和特异性。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分。”

下一步:更好地理解大脑疾病

现在这个新系统已经被验证并准备就绪，研究人员可以将它应用于疾病的老鼠模型，以更好地了解神经疾病。

Dumrongprechachan说:“我们希望扩展这种方法，开始识别神经元蛋白的生化修饰，这些修饰发生在大脑活动的特定模式中，或由神经活性药物引起的变化，以促进临床进展。”

Kozorovitskiy说:“我们期待将这一研究成果应用到与大脑疾病相关的模型中，并将这些研究与人类大脑的死后蛋白质组学研究联系起来。它已经准备好应用于这些模型，我们已经迫不及待了。”

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Cell-type and subcellular compartment-specific ApEX2 proximity labeling reveals activity-dependent nuclear proteome dynamics in the striatum. 10.1038/s41467-021-25144-y