最强大脑？BAs突触后蛋白质组图谱绘制与分析

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景杰编者按

人类拥有聪明的大脑才成为地球上最高级的动物。人脑是如何工作的？如果大脑生病了，如何能做到快速定位病灶、精准治疗？人类脑图谱，能够协助我们了解脑的结构、探索脑的功能，为复杂的脑部研究和治疗“导航”。

想认识自己的脑并不容易。目前学界最常用的脑图谱还是一百多年前德国神经科学家Brodmann在单个人的尸体组织标本上利用细胞构筑绘制的脑图谱。2012年美国国立卫生院启动人脑连接组计划(Human Connectome Project)，对1200名健康成年人的大脑进行扫描及比较分析，最终绘制出人类大脑的所有神经连接情况。2016年，中国科学家发布了全新人类脑图谱，第一次建立了宏观尺度上的活体全脑连接图谱 [1]。同年，美国圣路易斯华盛顿大学的研究者根据210位健康年轻成年人的大脑成像数据，绘制出了精确的大脑图谱[2]。

近年来，科学家们利用神经解剖学，电生理学，成像和基因表达研究等多种方法开展了人类大脑新皮层功能定位的研究。利用磁共振成像技术可以获得对脑结构和功能区进行划分制作出活体个体的脑图谱，但是很难与脑的功能解剖相对应。Brodmann Areas（BAs）局部病理与许多疾病密切相关，比如精神分裂症，痴呆，中风，创伤和药物滥用等。脑突触区域的蛋白质的组成与丰度的研究，这将有助于我们理解蛋白质的作用机制和解析大脑中特性区域的功能，为脑部疾病的研究奠定基础。

近日，来自爱丁堡大学的研究者利用基于质谱的蛋白质组学技术，研究了12个Bas突触后蛋白质组成，共鉴定到1,213种蛋白质，利用蛋白质组学数据绘制出了一种新型大脑图谱，科研成果刊登于国际著名杂志Nature Neuroscience上。蛋白质组学数据，正电子发射断层扫描（PET）以及功能和结构磁共振成像（MRI）数据的整合分析，这将有助于解决有关新皮质中功能定位的各种问题和我们对人类大脑工作机制的深入了解，同时为神经精神疾病的预防、诊断、治疗及预后的研究提供技术方法。

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关键词

蛋白质组图谱、突触后蛋白质组学、脑部疾病、BAs、GWAS、聚类分析、蛋白复合物

研究思路和成果

首先，研究者经过筛选鉴定后对4具尸检的人脑组织12个BAs的48个样本（图1ａ和表１），采用Label-free定量方法，利用LC-MS/MS进行突触蛋白质组学分析，共鉴定了1,213种蛋白质。采用差异倍数1.5倍以上并且P < 0.05等差异表达蛋白质的筛选标准，共得到149个差异表达蛋白。接着研究者与前人研究的两个人类突触后蛋白质组新皮层数据库进行了比较分析，三者之间有75％的重叠，但是有25％的蛋白质之前并未被检测到，这表明可能会有新的发现。同时，将人类数据库与小鼠和大鼠的脑数据库比较，结果发现有96.3％的重叠。这揭示了在哺乳动物脑中突触后蛋白的保守性与多样性。

随后，研究者对鉴定到的来自12个BAs 的1,213种蛋白质进行聚类分析（图1ｂ），结果表明新皮层的不同区域表达不同丰度的突触蛋白及其复合物。不同的BA聚类表明分为BAG 1-4四个区域（图1ｃ），在大脑的额叶，颞叶，顶叶和枕叶四个叶中存在突触后蛋白质组的多样性；来自不同叶片的两个区域可以在同一叶片中与两个相邻区域更相似。蛋白聚类分为７突触后蛋白质组可模块（PPMs），在不同区域之间表现出非常不同的丰度模式。

图１12个BA中的突触后蛋白质组成

 a 12个BA分布于额叶，颞叶，顶骨和枕叶；ｂ分级聚类展示每个BA的突触后蛋白质组的表达谱特征；c，BAG的神经解剖图分布。

在BAｓ中，为了检测突触分子差异表达的功能意义，研究者将从冷冻人脑组织中分离特定区域（BA20和BA39、BA4和BA19）的突触体，等量注射进行非洲爪蟾卵母细胞，检测细胞的电生理特性。实验表明差异突触体蛋白质组合反映了BA中离子通道活性的功能差异。

接下来，研究者将注意力从离子通道和受体机制转移到高度复杂的突触后蛋白质组的生化功能，提出质疑：这些功能是否表现出不同的新皮层定位？采用两种策略：基于PPMs的KEGG富集分析（图２a），结果表明PPM1富含突触小泡功能和突触可塑性（长时程增强和抑制途径），而PPM7特别富含氧化磷酸化和阿尔茨海默病，帕金森氏病和亨廷顿氏病途径。基于每个BA中蛋白丰度排名的KEGG富集分析（图２ｂ），结果显示出信号转导机制、突触可塑性和其他信号传导过程、神经退行性疾病和代谢机制三个主要的分类。

图２　PPM（ａ）和BAs（ｂ）中的生物化学途径和功能富集分析

研究者为了调查突触后蛋白质组区域差异与脑成像的关联性，使用公布的PET数据报告大脑区域的代谢参数（脑氧代谢率CMRO2、脑葡萄糖代谢率CMRGlu，脑血流量、氧-葡萄糖指数OGI以及糖酵解指数GI），将这些代谢数据与PPM中的蛋白质丰度作关联分析，结果表明突触后蛋白质组组成的区域差异与PET代谢成像中测量的功能性信号呈正相关或者负相关（图３ａ）。此外，研究者分析不同BA中突触后蛋白质组之间的组成差异与用fMRI检测到的特定行为反应作了关联分析，使用了人体连接组计划（HCP）获得数据， HCP结构（髓磷脂和皮层厚度）和行为评分聚类分析（图３ｂ），发现明确划分为四个象限。值得注意的是，结构和功能磁共振成像特征分为两大类：语言和运动功能与髓鞘结构标记聚集，而情绪和工作记忆与皮质厚度标记聚集。

图３　PEＴ成像代谢和fMRi成像与行为的关联性分析

每个BA都表达突触后蛋白的特异性标签，人类基因研究表明许多疾病和行为特征与突触后蛋白中的遗传变异相关，所以研究者将蛋白质组数据与基因数据结合分析，以期揭示基因突变对大脑区域表型的影响。使用疾病和认知特征的全基因组关联研究（GWAS）数据，探讨不同BA中突触蛋白质组成的变化是否会揭示这些遗传影响特征的新皮层定位。多重校正检验表明：BA9（内侧背外侧前额叶皮层）与戒烟有关（图４）。在健康个体的BA9中差异表达的突触后蛋白由与戒烟相关的基因编码，这个研究结果与已证明BA9参与吸烟和药物滥用的MRI和PET成像研究一致。

 图４　吸烟与BA9遗传关联分析

小结

这项基于质谱平台的高通量蛋白质组学研究，通过对人类新皮层12个BAｓ中的突触后蛋白质组组成与丰度进行分析，发现每个区都具有构成差异的特征，这是功能差异的基础。关键的突触后蛋白，包括离子通道和神经递质受体以及控制生理和疾病的生物化学途径在新皮质区域中差异分布。突触后蛋白质组的区域多样性能更好地解释MRI和PET成像模式。

突触蛋白质组构建的新型大脑图谱可以协助我们理解人们特性的行为习惯与大脑中特定的区域具有关联性。基于蛋白质修饰组学的研究在人类皮层不同的BAｓ中，是如何发挥作用的呢？对于这一问题的解答需要深入研究。

参考文献

[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.

延伸阅读

景杰生物通过整合以组学为导向（包括基因蛋白质组学和组蛋白密码组学）的生物标志物发现、以生物标志物为导向的药物研发、以高质量抗体为基础的诊断试剂盒开发这三个环节，逐步构建起“疾病精准分层”、“精准药物研发”、“疾病精准诊断” 三位一体的精准医疗产业化发展的运作链条，从而为精准医疗产业化开创出一片广阔前景, 并开辟出一条可行路径。