科学研究

科研进展

“我们定义”:饶毅实验室发表脑研究新概念

    |    分享:
2019-02-22


2月21日,北京脑科学与类脑研究中心(CIBR)联合主任、北京大学教授饶毅实验室在Neuron(《神经元》)上发表论文:Chemoconnectomics: Mapping Chemical Transmission in Drosophila(化学连接组学:构建果蝇化学传递图谱)。

这是中国科研历史上,第一次在同一篇论文中出现新概念、新途径和强有力资源三者合一——化学连接组是一个新概念,化学连接组学是一个新途径,应用于果蝇的相关工具是强有力的资源。(CCT is a novel concept, chemoconnectomics a new approach and CCT tool lines a powerful resource for systematic investigations of chemical transmission-mediated neural signaling circuits underlying behavior and cognition. )


2019年2月21日,重要国际学术期刊Neuron(《神经元》)发表北京脑科学与类脑研究中心(CIBR)联合主任、北京大学教授饶毅实验室的论文:“化学连接组学:构建果蝇化学传递图谱”。其摘要中明确提出“化学连接组是一个新概念,化学连接组学是一个新途径,应用于果蝇的相关工具是强有力的资源”。

物理光学成像、化学、分子生物、遗传学和神经生物学等学多学科交叉,创造了在同一篇论文中出现新概念、新途径和强有力资源三者合一的罕见范例。国际专家称为“有远见”、“杰作”。

文章以与众不同的“我们定义‘化学连接组’”为开始。文章指出:虽然对部分的单个神经递质及其受体有很多研究,但迄今科学界对全部递质及其受体作为整体的重要性认识不足,化学连接组是反映其生物学整体重要性的新概念;化学连接组学新途径是将化学连接组作为具有生物学意义的入口剖析行为和认知的神经环路;应该制造与化学连接组相关的基因修饰动物品系,普遍用于行为和认知的分子研究及其环路的遗传解析。

生物学研究中常见的是在不同生物学过程中研究已发现的分子(或其化学修饰),更好的是发现新的分子或新的生物学过程,而其中较少的能够达到提出概念的程度;技术上,常见将新技术推广使用于不同生物学问题或改进技术(如我国近年大量推广和改进的基因修饰技术),较少发明新技术,而更少提出新途径。国际科学前沿罕见同时推出新概念、新途径和强有力资源,而我国大部分领域囿于国外概念框架而极少提新概念、在国外开辟的途径上前进而难以独创新途径、通过引进国外资源为基础开展研究而少有制造科学研究资源与世界共享。


新概念、新途径、新资源


饶毅实验室论文的新概念为“化学连接组”(chemoconnectome,简称CCT)。

现代神经科学关键问题之一是神经系统如何连接、连接如何起功能作用、在不同状态(如学习记忆或疾病)中连接组是否改变。以往的连接组以物理空间测度定义,而化学连接组是以神经传递信息的化学分子来定义连接组。已知信息在神经纤维上是电传导,而信息在神经细胞之间、神经细胞与其他细胞之间是化学传递,其分子为神经递质、神经调质、神经肽等。长期以来,对神经递质及其受体的研究局限于研究一个或少数几个递质或受体。饶毅提出的化学连接组,是一个动物体内所有的神经递质、调质、神经肽及其受体作为整体的概念。

论文的新途径为“化学连接组学”(chemoconnectomics)。它是建立在化学连接组概念之上、结合分子生物学和遗传学方法的研究途径,并有助于切入化学连接通路。

论文的新资源是开展化学连接组学所需要的基因修饰动物品系,饶毅实验室通过分子生物学和遗传学制作了逾百个果蝇基因的数百株基因修饰的品系,提供了实现化学连接组学所必需的资源,而其设计和制造对应用至关重要。

经过饶毅实验室多个研究生、博士后14年的努力,在以往6篇研究单个神经递质的论文之后,以邓博文为第一作者的文章是这一系列工作的第7篇论文。


化学连接组的优势


脑的重要性众所周知,长期以来,人类梦寐以求揭开脑的奥秘,并希望改善人类健康。为此,北京大学获得国际友人捐赠后于2012年成立北大麦戈文脑研究所,美国总统奥巴马于2013年推出美国的脑计划,北京市于2018年3月成立了北京脑科学与类脑研究中心。饶毅为北京脑科学与类脑研究中心和北大脑研究所的负责人。

脑的功能依赖其环路连接,神经环路实现各种行为、认知、思维。科学家们非常希望有普遍适用的方法剖析神经环路。一个动物全部的神经连接称为连接组,研究连接组的科学为连接组学。此前,已经有三类连接组:微观连接组,主要以电子显微镜重构神经环路;介观连接组,主要通过遗传学或病毒注射构建神经环路;宏观连接组,主要以功能核磁共振为基础显示人脑大尺度的连接。

这些方法分别有优点和缺点。

电子显微镜分辨率高,但因此图像数据量巨大,以前只有302个神经元的线虫有电子显微镜重构的连接组,而电镜方法不可能进行分子或细胞活性的操作,从而不能研究功能。2018年美国科学家发表的果蝇电镜重构,用了2100万张图片,还只能分析部分而不是其全脑神经环路。

而通常通过病毒研究的介观连接组,可以影响分子和细胞,但不清楚一个鼠脑需要注射多少个点才饱和,更不清楚一个注射位点究竟需要多少个调节元素才能包含所有的细胞。

核磁共振成像的优点是可以无创性研究人脑,但分辨率太低,也难以观察分子,无法操纵分子和细胞的活性,从而不能在分子和细胞水平研究功能。

饶毅提出了化学连接组的概念,十四年以来逾12位研究生、一位博士后参与开发和实现化学连接组学。它在揭示脑的构成和神经环路方面不仅与已有连接组学互补,而且有明显优势。它在揭示基因与行为和认知的分子机理方面,与随机遗传突变筛选互补,并有专注神经信号的优势。这一优势原则上也可在哺乳类实现,还将克服迄今难以对参与哺乳类行为和认知的基因进行系统研究的障碍。

CCT具备所有现有连接组学所没有的优点。CCT可以系统地研究神经信息传递,因为它涵盖了全部已知的神经递质、神经调质、神经肽及其受体;CCT在介观尺度全面系统地解析神经连接,其他介观和微观连接组学方法可以应用、扩展和围绕它进一步深化。CCT抓住了神经传导信号的关键:神经递质及其受体,可以通过递质表达的神经细胞、和受体表达的神经细胞来推断神经环路;CCT不仅可以研究基因的功能,也能研究细胞的功能;CCT通过运用遗传操纵的分子逻辑门,不仅可以检测两个基因的关系,而且可以研究两个细胞的连接和关系;理论上,CCT可以研究多个基因和多个细胞的功能关系,包括直接和间接关系。


研究的意义


神经传递信号主要是通过化学传递,也就是一个神经细胞释放称为“神经递质”的化学分子,作用于下一个神经细胞(或其他靶细胞,如骨骼肌、心脏、血管等)而调节后者的活动(如兴奋、抑制、收缩、舒张等)。神经细胞与下一个细胞的信息交流部分称为突触。突触前的神经细胞合成神经递质,而突触后的细胞合成其受体蛋白质,表达在细胞膜。这样,突触前释放的神经递质弥散到突触后,结合于细胞膜表面的受体蛋白,从而调节下一个细胞。一个细胞可以有多种受体,从而传送不同信号。这一过程称为“化学传递”,是神经生物学的基石。

阐明和发展“化学传递学说”的科学家包括1936年诺奖得主英国药理学家Henry Dale和德国生理学家Otto Loewi、1970年诺奖得主瑞典药理学家Ulf von Euler、英国生理学家Bernard Katz和美国生化学家Julius Axelrod等。继续研究化学传递具体步骤(囊泡分泌)分子机理的科学家包括2013年诺奖得主、德裔美国科学家Thomas Südhof等。

化学传递是重要脑功能的关键基础,如2013年诺奖得主、美国犹太神经生物学家Eric Kandel等长期研究发现化学传递的可塑性是学习记忆的基础。在化学传递学说基础上研究脑疾病的包括2000年诺奖得主瑞典药理学家Avid Carlsson,揭示巴金森氏并缘于合成神经递质多巴胺的神经细胞死亡,从而可以用左旋多巴治疗巴金森病。化学传递很大程度影响了现代药物工业,神经递质的受体主要有两类,占多数的一类为GPCR,而GPCR是今天30%以上处方药的靶点,远超出神经、精神疾病,例如心血管疾病的重要药物也是GPCR的抑制剂,肠道疾病也用调节GPCR活性的药物分子。英国药理学家James Black因为改进治疗心血管疾病和胃肠道疾病的GPCR抑制剂而获1988年诺奖。


研究的背景和历程


自从摩尔根将果蝇发展成为重要的遗传学模式生物之后,科学家可以将果蝇应用于遗传学和分子生物学,且其成本低,一个实验室就能做完。一百多年来,果蝇为生物学做出了重要贡献,例如摩尔根因为用果蝇研究遗传学原理获1933年诺奖,摩尔根的学生Muller因为用果蝇发现射线导致遗传突变获1947年诺奖,德国和美国科学家用果蝇研究胚胎发育的基因获1995年诺奖,法国科学家Jules Hoffman因为用果蝇发现天然免疫的基因贡献获2011年诺奖,美国三位科学家因为用果蝇研究生物钟的分子基础获2017年诺奖。科学家用果蝇进行的研究遥遥领先于用其他模式生物的研究,带来的突破常常刺激其他研究,包括哺乳类和人的研究。可以预计,饶毅实验室用果蝇开创的化学连接组研究,也将刺激科学界用哺乳类研究化学连接组,成为神经连接研究的核心之一。

为了全面、系统研究化学连接组,饶毅实验室通过基因修饰神经递质及其受体相关的基因,既可以追踪所有神经递质(和神经调质)及其受体,也可以操纵这些基因,还可以操纵表达相关基因的神经细胞,从而在分子和细胞水平重构神经细胞的功能连接,并确定其中参与的神经递质及其受体。

自2005年起,饶毅实验室开始研究果蝇的神经递质及其受体。第一位学生是清华本科毕业的周传,作为中国科学院生物物理研究所的研究生,他在饶毅当时新成立的位于北京生命科学研究所的实验室从事研究。他研究了果蝇的神经递质鱆胺参与果蝇打架与求偶,结果分别于2008年发表于《自然神经科学》、2012年发表于《神经科学杂志》。饶毅实验室的博士后刘琰于2011年在《自然》发表老鼠脑内神经递质五羟色胺调节雄鼠性偏好行为,研究生张莎莎于2013年在《美国科学院院刊》发表五羟色胺调控雌鼠性偏好行为。此后,饶毅实验室砥砺前行、埋头探索、推进重大研究,他们创新发力从研究单个基因向制备所有神经递质及其受体的CCT。博士后黄娟从美国匹茨堡到北京大学饶毅实验室,用当时的Ends-Out和Ends-In技术敲除和敲入果蝇基因。2012年国外发明CRISPR-Cas9基因修饰技术后,饶毅实验室很快开始应用。邓博文、李祺、刘新星、曹越、李冰峰、钱永军、周恩兴、戴熙慧敏、毛仁波先后加入化学连接组课题,分别推进。

研究生钱永军和李祺用了黄娟制造的果蝇,加上后来CRISPR-Cas9制造的果蝇,获得结果。钱永军于2017年在eLife期刊发表对果蝇五羟色胺及其5个受体的研究,发现五羟色胺及其2b受体调节果蝇睡眠,其中2b在果蝇两个神经细胞中调节睡眠。李冰峰设计制造与腺苷酸相关的果蝇品系。刘新星设计制造与鱆胺相关的果蝇品系。戴熙慧敏设计、制造、研究了神经递质乙酰胆碱及其受体的表达和作用,另行投稿。周恩兴通过筛选影响睡眠的基因,找到果蝇一个新的神经调质,以前只在哺乳类发现,而周恩兴发现果蝇也有,并起重要作用,另行投稿。博士后张娴和研究生闫洪明等于2018年在《分子药理学》杂志报道老鼠五羟色胺调节睡眠,确定这不是因为直接调节体温所致。

在最新的邓博文等论文中,饶毅实验室首选果蝇来实现CCT。果蝇有193个CCT相关的基因,邓博文等倾力工作,设计为每个基因制造缺失突变,并敲入外源DNA片段以标记每个基因。为此,他们已经制备了数百多株果蝇品系,以分别研究基因的表达和功能。

饶毅实验室为CCT制造了数百株果蝇品系,但它不是资源型研究而是创造性研究。美国有研究所已制造七千多株转基因果蝇品系,但其做法是在果蝇基因组每隔两千碱基对插入一段DNA,这种插入与功能无关,消耗资源十倍以上,但无新概念、无关神经信号(有个别插入与信号偶然巧合),只观察表达模式,无基因缺失突变种,可研究神经细胞的功能,不易于研究基因功能。

CCT成为新概念是因为它抓住了神经传递作为信号的生物学特征,CCT成为新的主导型的研究途径是因为其综合分子生物学和遗传学技术进行了有效的设计。用果蝇做CCT的工作量是一个实验室就可以承担的,是显示这一概念加途径的最佳方式。饶毅实验室的文章提到:“在哺乳类进行CCT的想法没有逃脱我们的注意”。实际他们已设计哺乳动物的CCT,并有少量结果,尚未发表。

邓博文和曹越巧妙地设计如何克隆基因,使它能够一专多能:果蝇的一个基因被修饰后,其后可以比较方便地进行多种修饰。不仅看基因表达的细胞,而且可以观察其编码蛋白质表达的亚细胞区域,例如只表达在神经细胞的轴突上。他们不仅追踪小分子神经递质,而且追踪神经调质和神经肽。

邓博文等建立了第一个CCT后,进行了初步应用。他们发现,不仅神经细胞、而且神经胶质细胞也有递质和受体,邓博文等还发现神经系统另外一类细胞——神经胶质细胞含有特定的神经肽和神经递质的受体,刘新星发现鱆胺b2受体不仅在神经细胞调节睡眠,也在胶质细胞调节睡眠。他们发现一个神经细胞含有多个神经递质的规律(哪些递质可以在同一个细胞,哪些不在)。一个神经细胞的活性对于特定行为(如睡眠)的调节常常通过细胞内不止一个神经递质、神经调质、神经肽来进行。他们通过初步筛选CCT的缺失突变株,发现至少41个CCT基因调节睡眠,其中部分可以看出上下游关系(含分子A的神经细胞是含分子B的神经细胞之上游)

邓博文等的论文被同行评审专家赞赏。国际专家称道:“作者有远见,并能够有计划完成这一庞大任务”。专家对这项工作的评议是这项工作不仅有创造性,而且是“杰作”,“将对整个果蝇领域有巨大的影响,而且影响将远超出果蝇研究,因为这是所有动物模型中第一次如此系统规模地分析。它不仅揭示脑组织方式的普遍原则,也将在机理上解析特定环路的功能”。

该论文的共同第一作者为邓博文、李祺、刘新星和曹越四位研究生。另有李冰峰、钱永军、周恩兴、毛仁波等研究生、以前的博士后黄娟及其学生徐瑞。通讯作者为饶毅。 


原文地址:https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(19)30072-8