中国学者解决科学界大难题 首次人工重构神经突触组件

突触是半无膜，蛋白质密集的亚微米化学反应隔室，负责每个神经元中的信号处理。在发育期间和成人期间，对突触刺激的适当形成和动态响应是哺乳动物大脑功能的基础，尽管控制区室化突触组件的形成和调节的分子基础尚不清楚。

2018年8月2日香港科技大学张明杰研究组在Cell杂志在线发表题为“Reconstituted Postsynaptic Density as a Molecular Platform for Understanding Synapse Formation and Plasticity”的研究论文，该论文使用生化重建方法来证明，在溶液和支持的膜双层上，由主要兴奋性突触后密度（PSD）支架蛋白形成的多价相互作用网络，通过相分离形成PSD样组件。 重构的PSD样组装体可以聚集受体，选择性地浓缩酶，促进肌动蛋白束形成，并排出抑制性突触后蛋白。 另外，凝聚相PSD组件具有与均匀溶液中的那些不同并且适合突触功能的特征。 因此，该研究建立了一个用于了解神经元突触是如何形成和动态调节的分子平台。

神经元突触的突触后密度（PSDs）最初通过电子显微镜（EM）识别，观察突触后膜下的电子致密增厚。随后对纯化PSDs的生化和EM分析表明，这些结构由密集堆积的蛋白质组成，形成圆盘状的巨型组件，宽度为几百纳米，厚度为~30-50纳米。响应于不同的神经元刺激，PSD蛋白经历组装/分解，其与各种形式的突触可塑性紧密相关。

突触的许多独特性质阻碍了在分子水平上对突触形成和调节的详细理解。首先，很难在整个大脑中发现两个相同的突触，这意味着突触内没有简单的重复结构单元。这阻碍了现有生物物理方法对突触的详细结构研究。其次，突触是高度区室化的自组装反应机器，其脊柱头体积为~0.1μm3。这种复杂的区室化对于神经元的复杂功能是必需的，但是在理解每个单独的突触时也产生实际困难。第三，脊柱头部的体积与PSD的大小成正比,因此，突触的形态与突触功能紧密结合，尽管机制尚不清楚。第四，突触是极其可塑的。突触可以在几秒的时间范围内经历化学成分变化。相隔<1μm的两个相邻的脊可以在差异刺激时经历不同的形态变化。没有统一的理论来解释支配突触可塑性的分子机制。第五，突触区室中的高密度富含蛋白质的组装体（即PSD）不被双层膜包围，并且似乎通过某些自组装机制形成。不明白这种密集的突触组件如何能够在没有物理障碍的情况下形成并稳定存在。

文章总结（来源Cell）

在这里，香港科技大学张明杰研究组证明了在生理浓度下混合纯化的突触后支架蛋白可以通过液 - 液相分离（LLPS）形成高度浓缩的，自组织的PSD样组件。这种PSD支架缩合物可以聚集谷氨酸受体，富集突触酶，并促进肌动蛋白束形成。重要的是，重构的PSD组件主动排斥Gephyrin。 LLPS介导的PSD组装显示了一系列不同的特征，这些特征在均相溶液中的规范蛋白质相互作用网络中是不具备的。重构的PSD组件可以用作分子平台，用于理解控制突触形成和可塑性的机制。

总之，这里研究的体外重建的ePSD缩合物重新捕获了这些主要突触后支架蛋白，促进突触发育和成熟以及调节突触可塑性方面观察到的许多标志性特征。 尽管仍然大大简化，但这种定义明确的生物化学可追踪系统为研究兴奋性PSD形成和调节以及阐明未来突触基因突变引起的一系列脑疾病的机制提供了平台和新范例。 在更广泛的意义上，这里重构的PSD缩合物中揭示的原理和机制，以及在该工作中开发的方法，也可以应用于其他生物分子浓缩。

原文链接：Reconstituted Postsynaptic Density as a Molecular Platform for Understanding Synapse Formation and Plasticity

通讯简介：

张明杰：

结构生物学家，1966年9月生，浙江宁波人。1988年毕业于复旦大学，1993年获加拿大卡尔加里大学博士学位。2011年当选为中国科学院院士。2015年当选为港科院创院院士 。现为香港科技大学讲座教授 。2015年3月开始兼任中国科学技术大学生命科学学院院长。2011年获何梁何利基金科学与技术奖、2006年获国家自然科学奖二等奖、2003年获香港裘槎基金会优秀学者奖。

研究成果：

系统研究了架构蛋白在构建神经信号转导复合物中的功能及分子机理;提出了多结构域蛋白质中各结构域相互作用形成蛋白质超结构域的概念;发现PDZ结构域与细胞膜上磷脂相互作用，并阐明了这些相互作用的功能意义;对蛋白质-蛋白质，蛋白质-磷脂的相互作用在神经细胞极性形成，细胞不对称性分裂，囊泡传输与融合，神经细胞信号转导等神经生物学重要问题中所起的作用作了系统深入的研究;研究了一系列由于遗传突变所导致的中枢及周边神经系统疾病的发病机理。