PNAS：诺奖得主阐述轴突蛋白多样性

目前，斯坦福大学分子和细胞生理学教授 Thomas C. Südhof 和生物工程学教授 Stephen R. Quake 描述了轴突蛋白（neurexin）家族的多样性，共同解开了一个谜：大自然如何建立连接神经元的不同类型的突触？

轴突蛋白是突触前的细胞粘附因子，对于突触形成和突触传导必不可少。当这些神经元必须一起工作来执行一项给定的任务时，我们可以把突触看做配电盘或控制面板，连接特定的神经元。过去的人类遗传学研究认为，突触和各种认知障碍存在关联，如孤独症和精神分裂症。轴突蛋白转录本的广泛可变剪接，能够产生成千上万个亚型，但是在生理上产生了多少不同的轴突蛋白，仍不明确。

斯坦福大学医学院的 Südhof 教授，已经花了数年的时间来研究突触蛋白的多种不同形式或亚型。 Südhof 教授以研究突触传递知名，2013年他因获得了诺贝尔生理学和医学奖。他推测，不同的突触蛋白亚型可以帮助产生不同类型的突触连接，这些突触连接具有不同的性质和功能，从而使神经元能够执行如此多的复杂任务。

但是 Südhof 无法知道到底存在多少个突触蛋白亚型，直到去年他与工程学院的 Quake 教授的一次座谈。 Quake 开辟了测定DNA序列的新途径。

这项发表在《PNAS》的研究，代表神经学家和生物工程师之间一年之久的合作成果，这项合作研究旨在更好地理解“不同的轴突蛋白如何影响突触行为”，从而根本理解正常的脑功能和神经系统疾病，如孤独症。这些发现有助于阐明大脑如何工作，并提高我们对于神经系统疾病的认识。

在细胞内，有一种分子机器可解压缩一段双链DNA分子，产生一个 RNA 分子。 RNA 分子是编码到DNA的所有遗传指令的一个拷贝。但是只有这种 RNA 分子的特定区域，才包含制造一种特殊蛋白的指令。细胞有办法去除不必要的区域，将蛋白编码区剪接成更短的 RNA 分子（称为信使 RNA 或 mRNA ）。因此，每个 mRNA 都包含制造一个特殊蛋白的所有指令。

为了开始这项实验， Südhof 实验室的分子/细胞生理学博士后Ozgun Gokce，和 Quake 实验室的博士后Barbara Treutlein，从小鼠前额叶皮质提取脑细胞，然后提取包含在这些组织中的 RNA 。

于是，他们从这个大的 RNA 库中，发现了表达轴突蛋白的 mRNA 。他们通过设计的设备运行这些信使分子，读取制造突触蛋白家族中一个特殊亚型的化学指令的全长序列。

Quake 实验室擅长使用新的仪器，这可让研究人员能够读取一段 mRNA 链化学物质的全长序列，从而使他们能够确切地查明，这个信使分子被运送到细胞内蛋白制造机械的什么方向。Treutlein解释说：“在几年前，还不可能进行这个实验。”

轴突蛋白的 mRNAs 是很长的核苷酸（编码遗传信息的化学物质）链。直到最近，才有仪器能够读取这种长核苷酸链的精确序列。

因为轴突蛋白有 25 个组成部分，所以读取每个 mRNA 全序列的能力是必不可少的。但是，每当神经元制造一个蛋白拷贝的时候，并不都使用所有这些部分。轴突蛋白的亚型具有这 25 个可能部分的不同组合。本实验旨在探寻“到底存在多少个轴突蛋白亚型，以及这些亚型的每一个有多么普遍”。

研究人员分析了超过 25,000 个全长轴突蛋白 mRNAs 。他们发现了 450 个异构体。每种异构体都缺少25种可能组分中的一个或多个。这些异构体大多数很少发生。一些组成了主要的亚型。

虽然斯坦福大学的科学家已经测定了25,000个 mRNAs 序列，发现了 450 个异构体，但他们认为，如果他们测定更多的 mRNAs ，他们会发现更多的亚型——他们估计至少存在2,500个轴突蛋白家族亚型。

Treutlein指出：“我们看到这么多亚型，这一事实支持神经学家们已经发现的一个理论——这些蛋白异构体可引起突触连接的巨大多样性。”

该实验也提出了未来研究的许多问题。例如，主要亚型与罕见异构体都执行什么功能？包含或排除组分会如何影响那种亚型及其作用的突触？Gokce表示：“这个实验就像是地面上的一次飞行。现在我们必须下降去看一下细节。”