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PNAS:蛋白质组学发现神经突触中的长寿蛋白

精准医学与蛋白组学 2020-05-21 12:41:31


景杰编者按:

记忆的形成被认为是突触强度或结构改变的结果,记忆的持续可能是长时间的甚至会伴随个体整个生命周期,但是组成神经元以及突触的基本分子蛋白质或者脂质等物质却有着相对生命周期而言更短的半衰期,有研究者认为记忆的形成与维持与一类长寿蛋白(Long-Lived Proteins, LLPs)相关。长寿蛋白在个体中不少见,比如组成眼睛的晶状体球蛋白或者软骨组织中的胶原蛋白等,但是突触中是否存在长寿蛋白目前尚未明确。


近日,来自约翰霍普金斯大学医学院的研究者,用系统生物学方法,应用定量蛋白质组学研究了神经元和突触蛋白的转化动力学研究,成功鉴定到突触中的长寿蛋白,并且发现其存在对维持突触结构与功能的稳定性具有重要意义。该研究成果发表在国际著名学术期刊PNAS上,可能为长期维持可塑性和记忆能力以及与年龄相关的认知衰退机制开辟新的研究思路。

研究思路与成果

记忆的延续时长相较于动物个体蛋白代谢而言存在数量级的差异,神经系统中快速的蛋白转化是如何维持记忆延续的,研究者认为与神经突触蛋白的转化率相关研究者首先运用全蛋白质组学定量技术,分析代谢标记小鼠脑组织钟携带同位素蛋白的转化效率。研究者应用代谢标记方法,对小鼠进行间歇式同位素C13标记赖氨酸饲料喂养,在喂养7星期后,停止同位素喂养,换用正常饲料喂养7星期,取两个时间点的小鼠脑组织,进行胞质与突触的组分分离,并对不同样本中携带同位素蛋白的转化效率进行定量分析比较(图1)。


 图1 小鼠代谢标记及突触LLPs的鉴定


Tips

定量蛋白质组学,是指对生物样品中蛋白质的含量进行分析,不仅能鉴定出不同状态下表达的蛋白质, 而且能对其丰度进行精确定量,运用于功能模块和路径的识别、生物标志物的发现和验证,以及疾病的诊断、监测和治疗等领域。


蛋白质组学定量方法常用有三种,分别是Label-free、iTRAQ/TMT和SILAC技术。文章中使用到的SILAM定量技术:Stable Isotope Labeling of Mammals,对哺乳动物个体进行代谢标记,通过脉冲追踪(pulse-chase)标记模式(即标记喂养7后改为普通喂养),对标记完成以及普通喂养后两个时间点进行蛋白质组学分析,通过同位素蛋白丰度比值,判断蛋白质转化率。

研究者发现,高蛋白转化率的组织中,同位素强度变化较快,很快攀升到一个峰值,并且在停止同位素喂养后迅速下降,而低蛋白转化率的组织,同位素强度攀升缓慢,但在停止同位素喂养后维持一个较高的同位素水平。相对于代谢旺盛的肾脏组织,脑组织中蛋白转化率相对偏低,同时,突触蛋白相较于神经细胞胞质蛋白具有更低的转化率。

 图2 突触中LLPs的特性分析


根据蛋白质组学数据,研究者将停止同位素喂养7星期后,同位素水平维持在50%以上的蛋白定义为长寿蛋白(其半衰期可能长达数月),最终一共鉴定到164个定位于突触的长寿蛋白,其中包括CRMP蛋白家族的多个成员,之前被认为是参与神经回路发生与维持。除此之外,还有Ras家族的小GTPase蛋白,BAR domain蛋白等,并与突触囊泡的内吞或受体转运相关。


接下来,研究者对小鼠突触蛋白的转化率是否受环境刺激影响展开研究研究者将同位素喂养7周后的小鼠分组,对照组正常进行常规饲料喂养,实验组在常规喂养前进行3-d Enhanced Environment刺激(EE处理),改变或提升小鼠大脑活跃度以及突触可塑性,并通过蛋白质组学比较实验组与对照组小鼠突触蛋白转化率。前期的研究表明EE处理对动物个体基因表达、神经细胞增殖、突触可塑性都有不同程度的影响。在本文中,研究者发现,EE处理后,小鼠突触蛋白转化率相较于对照组有明显的提高这与EE处理加速蛋白合成与降解的前期研究吻合(图3)。

 图3 小鼠突触蛋白转化率分析


最后,研究者讨论了鉴定到的突触中长寿蛋白的功能。长寿蛋白在代谢动态变化的细胞微环境中,维持细胞核结构或染色质稳定,对于很少进行新旧更替的大脑神经系统而言至关重要,有助于维持突触结构的长期稳定,并维持长时程可塑性或者记忆的保存。

总结

记忆可以持续一生,但是很多组成突触的蛋白质都会被降解和替换。研究者用系统生物学方法,应用定量蛋白质组学研究了神经元和突触蛋白的转化动力学。总体的蛋白质代谢对神经元的活动和经验非常敏感,突触蛋白相对于胞浆来说是相对稳定的。本文确定了一大类的神经元突触中的长寿蛋白。这些长寿蛋白可能为长期维持可塑性和记忆能力以及与年龄相关的认知衰退机制开辟新的研究思路


参考文献:

Heo Seok, et al. (2018) Identification Of Long-Lived Synaptic Proteins By Proteomic Analysis Of Synaptosome Protein Turnover. PNAS


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