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景杰編者按
人類(lèi)擁有聰明的大腦才成為地球上最高級(jí)的動(dòng)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(zhǔn)治療？人類(lèi)腦圖譜，能夠協(xié)助我們了解腦的結(jié)構(gòu)、探索腦的功能，為復(fù)雜的腦部研究和治療“導(dǎo)航”。
想認(rèn)識(shí)自己的腦并不容易。目前學(xué)界最常用的腦圖譜還是一百多年前德國(guó)神經(jīng)科學(xué)家Brodmann在單個(gè)人的尸體組織標(biāo)本上利用細(xì)胞構(gòu)筑繪制的腦圖譜。2012年美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院?jiǎn)?dòng)人腦連接組計(jì)劃(Human Connectome Project)，對(duì)1200名健康成年人的大腦進(jìn)行掃描及比較分析，最終繪制出人類(lèi)大腦的所有神經(jīng)連接情況。2016年，中國(guó)科學(xué)家發(fā)布了全新人類(lèi)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(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究者根據(jù)210位健康年輕成年人的大腦成像數(shù)據(jù)，繪制出了精確的大腦圖譜[2]。
近年來(lái)，科學(xué)家們利用神經(jīng)解剖學(xué)，電生理學(xué)，成像和基因表達(dá)研究等多種方法開(kāi)展了人類(lèi)大腦新皮層功能定位的研究。利用磁共振成像技術(shù)可以獲得對(duì)腦結(jié)構(gòu)和功能區(qū)進(jìn)行劃分制作出活體個(gè)體的腦圖譜，但是很難與腦的功能解剖相對(duì)應(yīng)。Brodmann Areas（BAs）局部病理與許多疾病密切相關(guān)，比如精神分裂癥，癡呆，中風(fēng)，創(chuàng)傷和藥物濫用等。腦突觸區(qū)域的蛋白質(zhì)的組成與豐度的研究，這將有助于我們理解蛋白質(zhì)的作用機(jī)制和解析大腦中特性區(qū)域的功能，為腦部疾病的研究奠定基礎(chǔ)。
近日，來(lái)自愛(ài)丁堡大學(xué)的研究者利用基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，研究了12個(gè)Bas突觸后蛋白質(zhì)組成，共鑒定到1,213種蛋白質(zhì)，利用蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)繪制出了一種新型大腦圖譜，科研成果刊登于國(guó)際著名雜志Nature Neuroscience上。蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，正電子發(fā)射斷層掃描（PET）以及功能和結(jié)構(gòu)磁共振成像（MRI）數(shù)據(jù)的整合分析，這將有助于解決有關(guān)新皮質(zhì)中功能定位的各種問(wèn)題和我們對(duì)人類(lèi)大腦工作機(jī)制的深入了解，同時(shí)為神經(jīng)精神疾病的預(yù)防、診斷、治療及預(yù)后的研究提供技術(shù)方法。
景杰生物作為全球蛋白質(zhì)及翻譯后修飾的領(lǐng)跑者，可以為您提供一整套常規(guī)蛋白質(zhì)組學(xué)及修飾組學(xué)研究的解決方案，同時(shí)還能為您提供高靈敏度的修飾類(lèi)泛抗體，助力您的研究工作。
關(guān)鍵詞
蛋白質(zhì)組圖譜、突觸后蛋白質(zhì)組學(xué)、腦部疾病、BAs、GWAS、聚類(lèi)分析、蛋白復(fù)合物
研究思路和成果
首先，研究者經(jīng)過(guò)篩選鑒定后對(duì)4具尸檢的人腦組織12個(gè)BAs的48個(gè)樣本（圖1ａ和表１），采用Label-free定量方法，利用LC-MS/MS進(jìn)行突觸蛋白質(zhì)組學(xué)分析，共鑒定了1,213種蛋白質(zhì)。采用差異倍數(shù)1.5倍以上并且P
隨后，研究者對(duì)鑒定到的來(lái)自12個(gè)BAs 的1,213種蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類(lèi)分析（圖1ｂ），結(jié)果表明新皮層的不同區(qū)域表達(dá)不同豐度的突觸蛋白及其復(fù)合物。不同的BA聚類(lèi)表明分為BAG 1-4四個(gè)區(qū)域（圖1ｃ），在大腦的額葉，顳葉，頂葉和枕葉四個(gè)葉中存在突觸后蛋白質(zhì)組的多樣性；來(lái)自不同葉片的兩個(gè)區(qū)域可以在同一葉片中與兩個(gè)相鄰區(qū)域更相似。蛋白聚類(lèi)分為７突觸后蛋白質(zhì)組可模塊（PPMs），在不同區(qū)域之間表現(xiàn)出非常不同的豐度模式。
圖１12個(gè)BA中的突觸后蛋白質(zhì)組成
a 12個(gè)BA分布于額葉，顳葉，頂骨和枕葉；ｂ分級(jí)聚類(lèi)展示每個(gè)BA的突觸后蛋白質(zhì)組的表達(dá)譜特征；c，BAG的神經(jīng)解剖圖分布。
在BAｓ中，為了檢測(cè)突觸分子差異表達(dá)的功能意義，研究者將從冷凍人腦組織中分離特定區(qū)域（BA20和BA39、BA4和BA19）的突觸體，等量注射進(jìn)行非洲爪蟾卵母細(xì)胞，檢測(cè)細(xì)胞的電生理特性。實(shí)驗(yàn)表明差異突觸體蛋白質(zhì)組合反映了BA中離子通道活性的功能差異。
接下來(lái)，研究者將注意力從離子通道和受體機(jī)制轉(zhuǎn)移到高度復(fù)雜的突觸后蛋白質(zhì)組的生化功能，提出質(zhì)疑：這些功能是否表現(xiàn)出不同的新皮層定位？采用兩種策略：基于PPMs的KEGG富集分析（圖２a），結(jié)果表明PPM1富含突觸小泡功能和突觸可塑性（長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)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?；诿總€(gè)BA中蛋白豐度排名的KEGG富集分析（圖２ｂ），結(jié)果顯示出信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制、突觸可塑性和其他信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程、神經(jīng)退行性疾病和代謝機(jī)制三個(gè)主要的分類(lèi)。
圖２ PPM（ａ）和BAs（ｂ）中的生物化學(xué)途徑和功能富集分析
研究者為了調(diào)查突觸后蛋白質(zhì)組區(qū)域差異與腦成像的關(guān)聯(lián)性，使用公布的PET數(shù)據(jù)報(bào)告大腦區(qū)域的代謝參數(shù)（腦氧代謝率CMRO2、腦葡萄糖代謝率CMRGlu，腦血流量、氧-葡萄糖指數(shù)OGI以及糖酵解指數(shù)GI），將這些代謝數(shù)據(jù)與PPM中的蛋白質(zhì)豐度作關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明突觸后蛋白質(zhì)組組成的區(qū)域差異與PET代謝成像中測(cè)量的功能性信號(hào)呈正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)（圖３ａ）。此外，研究者分析不同BA中突觸后蛋白質(zhì)組之間的組成差異與用fMRI檢測(cè)到的特定行為反應(yīng)作了關(guān)聯(lián)分析，使用了人體連接組計(jì)劃（HCP）獲得數(shù)據(jù)， HCP結(jié)構(gòu)（髓磷脂和皮層厚度）和行為評(píng)分聚類(lèi)分析（圖３ｂ），發(fā)現(xiàn)明確劃分為四個(gè)象限。值得注意的是，結(jié)構(gòu)和功能磁共振成像特征分為兩大類(lèi)：語(yǔ)言和運(yùn)動(dòng)功能與髓鞘結(jié)構(gòu)標(biāo)記聚集，而情緒和工作記憶與皮質(zhì)厚度標(biāo)記聚集。
圖３ PEＴ成像代謝和fMRi成像與行為的關(guān)聯(lián)性分析
每個(gè)BA都表達(dá)突觸后蛋白的特異性標(biāo)簽，人類(lèi)基因研究表明許多疾病和行為特征與突觸后蛋白中的遺傳變異相關(guān)，所以研究者將蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)與基因數(shù)據(jù)結(jié)合分析，以期揭示基因突變對(duì)大腦區(qū)域表型的影響。使用疾病和認(rèn)知特征的全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）數(shù)據(jù)，探討不同BA中突觸蛋白質(zhì)組成的變化是否會(huì)揭示這些遺傳影響特征的新皮層定位。多重校正檢驗(yàn)表明：BA9（內(nèi)側(cè)背外側(cè)前額葉皮層）與戒煙有關(guān)（圖４）。在健康個(gè)體的BA9中差異表達(dá)的突觸后蛋白由與戒煙相關(guān)的基因編碼，這個(gè)研究結(jié)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(guān)聯(lián)分析
小結(jié)
這項(xiàng)基于質(zhì)譜平臺(tái)的高通量蛋白質(zhì)組學(xué)研究，通過(guò)對(duì)人類(lèi)新皮層12個(gè)BAｓ中的突觸后蛋白質(zhì)組組成與豐度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)區(qū)都具有構(gòu)成差異的特征，這是功能差異的基礎(chǔ)。關(guān)鍵的突觸后蛋白，包括離子通道和神經(jīng)遞質(zhì)受體以及控制生理和疾病的生物化學(xué)途徑在新皮質(zhì)區(qū)域中差異分布。突觸后蛋白質(zhì)組的區(qū)域多樣性能更好地解釋MRI和PET成像模式。
突觸蛋白質(zhì)組構(gòu)建的新型大腦圖譜可以協(xié)助我們理解人們特性的行為習(xí)慣與大腦中特定的區(qū)域具有關(guān)聯(lián)性?；诘鞍踪|(zhì)修飾組學(xué)的研究在人類(lèi)皮層不同的BAｓ中，是如何發(fā)揮作用的呢？對(duì)于這一問(wèn)題的解答需要深入研究。
參考文獻(xiàn)
[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.
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