最強大腦？BAs突觸後蛋白質組圖譜繪製與分析

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景傑編者按

人類擁有聰明的大腦才成為地球上最高級的動物。人腦是如何工作的？如果大腦生病了，如何能做到快速定位病灶、精準治療？人類腦圖譜，能夠協助我們了解腦的結構、探索腦的功能，為複雜的腦部研究和治療「導航」。

想認識自己的腦並不容易。目前學界最常用的腦圖譜還是一百多年前德國神經科學家Brodmann在單個人的屍體組織標本上利用細胞構築繪製的腦圖譜。2012年美國國立衛生院啟動人腦連接組計劃(Human Connectome Project)，對1200名健康成年人的大腦進行掃描及比較分析，最終繪製出人類大腦的所有神經連接情況。2016年，中國科學家發布了全新人類腦圖譜，第一次建立了宏觀尺度上的活體全腦連接圖譜 [1]。同年，美國聖路易斯華盛頓大學的研究者根據210位健康年輕成年人的大腦成像數據，繪製出了精確的大腦圖譜[2]。

近年來，科學家們利用神經解剖學，電生理學，成像和基因表達研究等多種方法開展了人類大腦新皮層功能定位的研究。利用磁共振成像技術可以獲得對腦結構和功能區進行劃分製作出活體個體的腦圖譜，但是很難與腦的功能解剖相對應。Brodmann Areas（BAs）局部病理與許多疾病密切相關，比如精神分裂症，痴呆，中風，創傷和藥物濫用等。腦突觸區域的蛋白質的組成與丰度的研究，這將有助於我們理解蛋白質的作用機制和解析大腦中特性區域的功能，為腦部疾病的研究奠定基礎。

近日，來自愛丁堡大學的研究者利用基於質譜的蛋白質組學技術，研究了12個Bas突觸後蛋白質組成，共鑒定到1,213種蛋白質，利用蛋白質組學數據繪製出了一種新型大腦圖譜，科研成果刊登於國際著名雜誌Nature Neuroscience上。蛋白質組學數據，正電子發射斷層掃描（PET）以及功能和結構磁共振成像（MRI）數據的整合分析，這將有助於解決有關新皮質中功能定位的各種問題和我們對人類大腦工作機制的深入了解，同時為神經精神疾病的預防、診斷、治療及預後的研究提供技術方法。

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關鍵詞

蛋白質組圖譜、突觸後蛋白質組學、腦部疾病、BAs、GWAS、聚類分析、蛋白複合物

研究思路和成果

首先，研究者經過篩選鑒定後對4具屍檢的人腦組織12個BAs的48個樣本（圖1ａ和表１），採用Label-free定量方法，利用LC-MS/MS進行突觸蛋白質組學分析，共鑒定了1,213種蛋白質。採用差異倍數1.5倍以上並且P

隨後，研究者對鑒定到的來自12個BAs 的1,213種蛋白質進行聚類分析（圖1ｂ），結果表明新皮層的不同區域表達不同丰度的突觸蛋白及其複合物。不同的BA聚類表明分為BAG 1-4四個區域（圖1ｃ），在大腦的額葉，顳葉，頂葉和枕葉四個葉中存在突觸後蛋白質組的多樣性；來自不同葉片的兩個區域可以在同一葉片中與兩個相鄰區域更相似。蛋白聚類分為７突觸後蛋白質組可模塊（PPMs），在不同區域之間表現出非常不同的丰度模式。

圖１12個BA中的突觸後蛋白質組成

a 12個BA分布於額葉，顳葉，頂骨和枕葉；ｂ分級聚類展示每個BA的突觸後蛋白質組的表達譜特徵；c，BAG的神經解剖圖分布。

在BAｓ中，為了檢測突觸分子差異表達的功能意義，研究者將從冷凍人腦組織中分離特定區域（BA20和BA39、BA4和BA19）的突觸體，等量注射進行非洲爪蟾卵母細胞，檢測細胞的電生理特性。實驗表明差異突觸體蛋白質組合反映了BA中離子通道活性的功能差異。

接下來，研究者將注意力從離子通道和受體機制轉移到高度複雜的突觸後蛋白質組的生化功能，提出質疑：這些功能是否表現出不同的新皮層定位？採用兩種策略：基於PPMs的KEGG富集分析（圖２a），結果表明PPM1富含突觸小泡功能和突觸可塑性（長時程增強和抑制途徑），而PPM7特別富含氧化磷酸化和阿爾茨海默病，帕金森氏病和亨廷頓氏病途徑。基於每個BA中蛋白丰度排名的KEGG富集分析（圖２ｂ），結果顯示出信號轉導機制、突觸可塑性和其他信號傳導過程、神經退行性疾病和代謝機制三個主要的分類。

圖２　PPM（ａ）和BAs（ｂ）中的生物化學途徑和功能富集分析

研究者為了調查突觸後蛋白質組區域差異與腦成像的關聯性，使用公布的PET數據報告大腦區域的代謝參數（腦氧代謝率CMRO2、腦葡萄糖代謝率CMRGlu，腦血流量、氧-葡萄糖指數OGI以及糖酵解指數GI），將這些代謝數據與PPM中的蛋白質丰度作關聯分析，結果表明突觸後蛋白質組組成的區域差異與PET代謝成像中測量的功能性信號呈正相關或者負相關（圖３ａ）。此外，研究者分析不同BA中突觸後蛋白質組之間的組成差異與用fMRI檢測到的特定行為反應作了關聯分析，使用了人體連接組計劃（HCP）獲得數據， HCP結構（髓磷脂和皮層厚度）和行為評分聚類分析（圖３ｂ），發現明確劃分為四個象限。值得注意的是，結構和功能磁共振成像特徵分為兩大類：語言和運動功能與髓鞘結構標記聚集，而情緒和工作記憶與皮質厚度標記聚集。

圖３　PEＴ成像代謝和fMRi成像與行為的關聯性分析

每個BA都表達突觸後蛋白的特異性標籤，人類基因研究表明許多疾病和行為特徵與突觸後蛋白中的遺傳變異相關，所以研究者將蛋白質組數據與基因數據結合分析，以期揭示基因突變對大腦區域表型的影響。使用疾病和認知特徵的全基因組關聯研究（GWAS）數據，探討不同BA中突觸蛋白質組成的變化是否會揭示這些遺傳影響特徵的新皮層定位。多重校正檢驗表明：BA9（內側背外側前額葉皮層）與戒煙有關（圖４）。在健康個體的BA9中差異表達的突觸後蛋白由與戒煙相關的基因編碼，這個研究結果與已證明BA9參與吸煙和藥物濫用的MRI和PET成像研究一致。

圖４　吸煙與BA9遺傳關聯分析

小結

這項基於質譜平台的高通量蛋白質組學研究，通過對人類新皮層12個BAｓ中的突觸後蛋白質組組成與丰度進行分析，發現每個區都具有構成差異的特徵，這是功能差異的基礎。關鍵的突觸後蛋白，包括離子通道和神經遞質受體以及控制生理和疾病的生物化學途徑在新皮質區域中差異分布。突觸後蛋白質組的區域多樣性能更好地解釋MRI和PET成像模式。

突觸蛋白質組構建的新型大腦圖譜可以協助我們理解人們特性的行為習慣與大腦中特定的區域具有關聯性。基於蛋白質修飾組學的研究在人類皮層不同的BAｓ中，是如何發揮作用的呢？對於這一問題的解答需要深入研究。

參考文獻

[1] Fan L, et al. The Human Brainnetome Atlas: A New Brain Atlas Based on Connectional Architecture[J]. Cerebral Cortex, 2016, 26(8):3508-3526.

[２]Glasser M F, et al. A multi-modal parcellation of human cerebral cortex[J]. Nature, 2016, 536(7615):171-178.

[３]Roy M, et al. Proteomic analysis of postsynaptic proteins in regions of the human neocortex[J]. Nature Neuroscience, 2018, 21(1):130.