SLC17A7

在神经退行性疾病中，突触和树突的变化会导致回路失调，进而引发神经元死亡。通过刺激树突和突触的再生，有可能恢复受损的神经回路功能。然而，中枢神经系统（CNS）神经元的再生能力非常有限，尤其是在受损或患病的情况下。因此，识别能够促进树突再生、重建功能性突触连接、增强神经元对压力抵抗能力的因素和信号通路至关重要。 胰岛素是一种能够穿越血脑屏障的肽类激素，对神经系统的能量平衡、树突可塑性和神经传递等过程具有重要影响。胰岛素通过促进微管蛋白的生成来支持神经突生长。此外，研究已证实，胰岛素信号不足和胰岛素抵抗与神经退行性疾病如阿尔茨海默病和帕金森病相关。尽管鼻腔给药胰岛素能改善这些患者的记忆和情绪，但胰岛素能否促进树突和突触再生以恢复神经回路功能及其作用机制尚不清楚。 近日，Adriana Di Polo等在Sci Adv发表了题为“Insulin restores retinal ganglion cell functional connectivity and promotes visual recovery in glaucoma”的研究论文。该研究揭示了胰岛素能够通过激活 mTOR 通路，促进视网膜神经节细胞（RGCs）的树突和突触再生，从而恢复这些细胞的功能和视觉行为。 为了探讨胰岛素是否能促进树突再生，研究人员通过在小鼠眼内注射磁性微珠来诱导眼部高压（OHT），随后用胰岛素治疗。研究发现，OHT导致视网膜神经节细胞（RGCs）树突显著退缩，而仅仅降低眼压并不能促进树突再生。但胰岛素治疗可以促进这些树突再生，恢复其长度、覆盖面积和分支数量。研究还显示，局部使用的胰岛素可以穿透角膜到达视网膜，表明胰岛素有助于 RGCs 在 OHT 条件下实现树突再生。 图1：胰岛素在OHT条件下促进RGCs树突再生 进一步的实验显示，在 眼部高压（OHT） 条件下视网膜神经节细胞（RGCs）与双极细胞之间的兴奋性突触显著减少，而胰岛素治疗则能恢复这些突触的关键蛋白（PSD95 和 VGLUT1）的表达。 通过使用带有红色荧光蛋白标签的病毒载体，研究人员可视化并量化了再生树突上的突触复合体，发现胰岛素治疗能够显著恢复近端及远端 RGCs 树突上兴奋性突触的密度。此外，胰岛素对不同 RGC 亚型的突触恢复效果一致，这意味着胰岛素治疗可以独立于 RGC 亚型及其与胞体的距离，全面恢复再生树突上的兴奋性突触密度。 图2：胰岛素可恢复脆弱神经元的兴奋性突触 mTORC1 和 mTORC2 是关键的调节器，其中 mTORC1 主要负责 mRNA 翻译和蛋白质合成，而 mTORC2 则调控细胞骨架的组织和细胞生长。研究者利用靶向短干扰 RNA（siRNA）抑制了 mTORC1 的下游效应蛋白 S6K 和 4EBP1，以探究它们在胰岛素介导的树突再生中的作用。 结果显示，敲低 S6K 完全阻止了胰岛素诱导的树突再生，导致 RGCs 的树突缩短且分支减少，而 4EBP1 的敲低并未影响再生过程。此外，S6K 的再生作用在不同类型的视神经损伤（如创伤性视神经损伤）中均得到了验证，表明 S6K 是胰岛素依赖的 RGC 树突再生的关键调节因子。 图3：S6K对于胰岛素介导的 RGC 树突再生至关重要 此外，研究还发现 S6K 可以通过磷酸化 mTORC2 的关键成分 SIN1 来影响其活性，而 SIN1 的磷酸化是胰岛素介导的树突再生所必需的。具体来说，S6K 磷酸化了 SIN1 的 Thr86 和 Thr398 位点，促进了 mTORC2 的激活。SIN1 的敲低显著抑制了胰岛素诱导的 RGC 树突再生，表明 SIN1 在这一过程中起着关键作用。 此外，SIN1 的磷酸化还与 Akt 的激活有关，Akt 进一步激活 mTORC1，形成正反馈循环，从而增强蛋白质翻译和树突再生。这说明 mTORC1 和 mTORC2 通过 SIN1 相互作用，共同促进胰岛素诱导的 RGC 树突再生。 研究人员利用 OHT 诱导的损伤模型考察了胰岛素治疗对 RGC 存活的影响。结果显示，在 OHT 后使用胰岛素治疗，能够显著提高 RGC 的存活率，维持其密度接近未受损的对照组水平，而对照组中使用生理盐水治疗的视网膜则表现出明显的神经元死亡。此外，通过单细胞钙离子（Ca²⁺）信号记录分析，发现胰岛素治疗恢复了 RGC 的光刺激引发的 Ca²⁺ 瞬态动态，表现为 Ca²⁺ 衰减时间缩短，与未受损伤的对照组相似。功能性测试表明，胰岛素治疗还能显著改善视力表现，使高眼压引起的视觉损伤得以恢复。 图4：胰岛素刺激神经元存活并恢复视觉功能 总体而言，本研究结果表明，胰岛素治疗是一种有效的再生策略，能够促进青光眼患者RGCs的树突和突触再生，恢复神经回路功能，为胰岛素在青光眼和其他视神经病变中的应用提供了新的见解。 参考文献： El Hajji S, Shiga Y, Belforte N, et al. Insulin restores retinal ganglion cell functional connectivity and promotes visual recovery in glaucoma. Sci Adv. 2024;10(32):eadl5722. doi:10.1126/sciadv.adl5722 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！ 点击下方「阅读原文」，前往生物谷官网查询更多生物相关资讯~

*仅供医学专业人士阅读参考生命系统当然是复杂的。从有了生物这门课程开始，生命的单位不断缩小，从单独的有机体到组织和器官，从组织和器官到复杂的细胞网络结构，再到以单个生物分子为单位的相互作用。为了从整体上了解这种复杂性，我们需要了解单个生物分子的位置和相互作用机制，以此量化细胞和亚细胞组装体的分子异质性，这也是空间组学解决的焦点问题。全面了解纳米尺度的蛋白质组织，需要解决四个关键问题：灵敏度、通量、空间分辨率和复用能力（即有效地重复使用实验设备、试剂或技术）。虽然现有技术能够提供一定程度的空间解析，但是面对高度多重成像的蛋白质结构，还是有些力不从心。近日，来自马克斯·普朗克生物化学研究所（MPI）和慕尼黑路德维希马克西米利安大学（LMU）的研究团队，开发了一种超分辨率成像方法（SUM-PAINT），能够以高于15nm的分辨率对蛋白质实现几乎无限的多重分析。这是首个可以快速完成大量蛋白质绘制和可视化的超分辨率显微技术。使用SUM-PAINT，研究人员绘制了具有30种不同蛋白质的单分子分辨率神经元细胞图谱，并发现了同时具有兴奋和抑制相关蛋白的新型突触。研究发表在《细胞》杂志上。DNA-PAINT是利用DNA相互作用的动力学实现高分辨率成像的技术，通过DNA互补配对确定目标蛋白质位置。在DNA-PAINT的基础上，研究人员引入了主条形码和二级标签，主条形码用于标记目标蛋白质，二级标记是含有特定DNA序列的标记物，主条形码和二级标签相互作用实现多重成像，并且二级标记可以在多重成像过程中重复使用，以实现对多个目标蛋白质的同时检测。此外，在多重成像过程中，为了确保每个目标蛋白质的信号可以被准确分辨，SUM-PAINT引入了信号消光机制，可以有效消除上一个成像信号，确保下一个目标蛋白质的成像准确性。使用SUM-PAINT构建神经元细胞图谱，单一目标成像需要约17分钟，完成12次多重成像实验（即12种不同目标蛋白质）只需要不到5个小时，完成30次多重成像实验大约需要30小时。与此形成对比的是，DNA-PAINT可能需要超过800个小时（实际上它也做不到）。根据SUM-PAINT绘制的3D图谱，我们可以详细分析突触中的蛋白质分布。图上展示了兴奋性突触（左下，VGlut1+）和抑制性突触（右下，Gephyrin+）的放大视图在结构分析中，我们可以看到结构蛋白为周期性环状排列，环与环之间的距离是190nm。其他神经元结构，比如网格蛋白、乙酰化微管蛋白、神经丝的结构也被可视化。内吞作用的兴奋性突触示例图在空间聚类分析中，研究人员发现了一种不同于兴奋性突触和抑制性突触的主要簇，通过对关键蛋白进行颜色编码和视觉检查，发现了一种没见过的突触种类，可以同时表达兴奋性突触相关蛋白（VGlut1）和抑制性突触相关蛋白（Gephyrin）。混合突触成像研究人员将这种新型突触定义为“混合”突触，并且也在P50小鼠海马CA1放射层脑切片中发现了这种混合突触。不过，混合突触的丰度较低，在该区域突触中占比仅约为1.3%，这大概也是混合突触之前没有被发现的原因。通过在分子水平上绘制大量蛋白质位置和相互作用的详细视图，SUM-PAINT为研究神经系统疾病的细节提供了前所未有的机会，有助于更深入地了解疾病的潜在机制。作者团队表示，“SUM-PAINT不仅是分子水平上破译细胞生物学复杂性的里程碑，也是神经退行性疾病新治疗方法的潜在突破”。参考文献：Unterauer E M, Boushehri S S, Jevdokimenko K, et al. Spatial proteomics in neurons at single-protein resolution[J]. Cell, 2024, 187(7): 1785-1800. e16.https://www.biochem.mpg.de/new-synapse-type-discovered-through-spatial-proteomics本文作者丨王雪宁

引言小胶质细胞作为中枢神经免疫系统中的神经免疫细胞在发育、环境监视、神经突触功能和神经系统疾病中起着重要作用。在神经系统发育过程中，小胶质细胞通过调节突触生物分子和修剪神经突触来帮助塑造神经环路，通过其触手的伸缩不断感知周围环境变化，发挥监视作用。当中枢神经系统发生损伤时，小胶质细胞发挥吞噬作用，吞噬并消除微生物、死亡细胞碎片、蛋白质聚集体，以及可能危害中枢神经系统的可溶性抗原等。在某些特定的刺激或神经炎症情况下或当小胶质细胞功能失调时，其也有可能通过吞噬或分泌炎症因子等方式损伤和杀死神经元，影响神经退行性疾病例如阿尔茨海默病（AD）的发生与发展。2024年1月30日，中国科学院深圳先进技术研究院脑所詹阳研究员团队在Neuron（IF 16.2）杂志在线发表题为Clearance of β-amyloid and synapses by optogenetic depolarization of microglia is complement selective 研究论文。AD患者大脑中伴随β淀粉样蛋白（Aβ）和微管相关蛋白（Tau）聚集形成的具有毒性的寡聚物，抑制Aβ聚集或促进其清除被认为是该病治疗的一个有效手段。小胶质细胞在Aβ聚集中发挥作用，但不清楚靶向动态调控小胶质细胞是否可以影响毒性蛋白Aβ及其同神经元之间的关联。另一方面，传统的神经调控方法针对神经元进行操作，比较少的研究针对胶质细胞开展神经调控并研究其调控机理。基于小胶质细胞和神经元之间的紧密关联及其在神经退行性疾病中的作用，研究团队成功建立了一套在体外和体内特异性去极化激活小胶质细胞的方法。通过光遗传方法激活小胶质细胞，发现小胶质细胞去极化可以促进脑实质中Aβ的清除，但同时也会增强神经突触的消除。研究团队进一步寻找了神经突触清除的关键机制，发现补体信号通路C1q可以选择性地防止小胶质细胞去极化诱导的突触损伤，但不影响Aβ清除。该研究给出了一种小胶质细胞靶向调控的有效方法，揭示了小胶质细胞介导的独立吞噬途径，给出了一种针对神经退行性疾病治疗的病理性蛋白清除和神经保护的协同策略。神经调控小胶质细胞清除Aβ和补体通路抑制保护神经突触（Credit: Neuron）在本研究中，首先在离体方面，研究团队成功将光感基因蛋白表达于小胶质细胞细胞系和原代细胞中，发现光遗传激活可以有效的使得细胞去极化，进而发现光刺激激活小胶质细胞后对Aβ以及突触小体（Synaptosomes）等物质的吞噬能力增强。采用来自AD病人组织毒性更强的Aβ蛋白，研究团队也发现光激活小胶质细胞可以增强Aβ吞噬。进一步，研究团队应用小胶质细胞特异性小鼠（Cx3cr1-cre）和光遗传工具小鼠（Ai27）获得双转基因小鼠，发现光遗传激活小胶质细胞可以导致光照区域的细胞数量、形态发生明显变化。并且不同时长的光遗传刺激带来小胶质细胞对神经突触的不同程度的包裹，刺激时间越长二者的共定位越多。同样的，在AD模型小鼠（5xFAD）中开展光遗传小胶质细胞调控也带来Aβ减少，并且导致突触蛋白（VGlut1、PSD95）以及突触突棘等下降。接下来，研究团队通过针对抑制补体系统通路开展了神经保护研究。团队发现光遗传激活小胶质细胞导致神经突触丢失同时，补体通路分子C1q发生上调。进而团队通过抑制C1q，发现小胶质细胞光遗传激活不再吞噬神经突触。进一步在AD模型中，发现C1q抑制后，光遗传激活小胶质细胞可以清除Aβ，但并不吞噬神经突触，进而实现Aβ清除同时而不杀伤神经突触。本研究提供了一种靶向小胶质细胞的调控策略，该方法可以有效减少神经退行性疾病中的毒性蛋白聚集体，而同时保留正常突触连接。原文链接http://doi.org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.neuron.2023.12.003责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Science最新发布：全世界最前沿的125个科学问题热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文Nature | 颠覆性发现：我们肠道微生物中隐藏的“奇异RNA碎片”