熊伟:新型质谱技术让神经化学研究进入单细胞时代

2017-4-14 14:04 来源: 生物探索
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  世界上没有两片完全相同的叶子,细胞也是。然而,科学家们在进行现代生物学研究时,大多时候都考察的是细胞群体,而忽略了细胞异质性。

  就拿神经细胞来说,大脑中有亿万个神经细胞,这些神经细胞在细胞形态,突触连结,细胞结构,电生理以及生理功能上具有高度的多样性。不同种类的神经细胞中,其基因组、蛋白组、化学分子组成、含量、代谢也都有着很大的差别。在直径不到1毫米的一个很小的脑区,可能就存在几十种甚至上百种完全不同的神经元以及胶质细胞类型。甚至很多情况下,即使物理距离上相邻的两个神经元也可能是两个不同的神经元类型。因此,对脑内单个神经元的基因组、蛋白质组以及代谢组进行分析,具有重要的生物学价值。

  单细胞技术在近年发展非常迅速,比如单细胞测序,已经广泛应用于各种生命学科的研究。2014年1月Nature Methods上发表的年度特别报道,将“单细胞测序”(Singled out for sequencing)的应用列为2013年度最重要的方法学进展。

  单细胞技术不仅在测序方面取得了极大进展,单细胞质谱分析也正在逐渐得到更多的关注。与用于分析单个细胞基因组的单细胞测序不同,单细胞质谱主要是研究单个细胞内的代谢物情况,例如化学小分子的组成、含量和代谢等等。单细胞质谱的优势在于可以高通量检测目前其它单细胞技术无法检测的小分子化合物,以及它们的代谢过程。同时,由于质谱本身的优势,不需要采取测序或者特异性抗体等外部手段,就可以精确分析检测到的化学物质信息,可以说是“物美价廉”。 不过,由于质谱技术本身的局限性,目前还无法做到类似单细胞测序那样的大规模测量。

  1、多学科交叉合作,开发单神经细胞质谱

  2013年,熊伟教授结束了在美国国立卫生研究院的博士后研究工作,回国后加入了中国科学技术大学生命科学学院。在申请中组部“青年千人计划”时,熊伟教授认识了另一位中科大化学学院的“青千”黄光明教授,当时,黄光明教授课题组正在发展一种小样品(pL级别)质谱测量技术。经过多次讨论,他们决定将两个实验室的优势技术进行结合,开发单神经细胞质谱这一新技术。

  目前质谱技术在神经科学中的应用,主要还是采用对大量组织细胞匀浆后的样品进行分析。在单细胞检测中,质谱分析因为具有高灵敏度,大的线性范围以及高通量分析化学分子的特点,逐渐被用于单细胞的细胞代谢分析。但目前的方法需要使用大量有机试剂对细胞进行处理,无法保持采样时细胞的活性;冗长的处理和分离过程也导致较慢的分析速度,无法短时间内完成大量单细胞分析;并缺乏来自同一细胞的电生理信号;最终导致单细胞代谢物的质谱分析无法大规模用于神经细胞的分析。

  2、新技术让质谱分析活体单个神经元成为现实

  2017年1月26日,熊伟教授与黄光明教授等人在PNAS上发表了一项题为“Single-neuron identification of chemical constituents, physiological changes, and metabolism using mass spectrometry”的研究。在这项新研究中,研究团队依托电生理膜片钳以及电喷雾离子源技术建立了一种稳定的单神经元胞内组分取样和质谱组分分析技术。


膜片钳与单细胞质谱分析联用技术分析单个神经细胞示意图

  电生理膜片钳能将玻璃微电极接触并吸附在细胞膜上,高阻抗封接后将膜打穿成孔,记录膜片以外部位的全细胞膜的离子电流。而电喷雾技术主要是利用一个高压交流电使分析物被离子化然后被质谱检测,该离子源具有较强的抗干扰能力。与传统的质谱方法相比,这一新方法最大的优势是可以原位对活细胞进行取样,并且同时采集细胞位置、电生理活动以及细胞内化学成分等多方面的信息。

  3、质谱分析让神经化学研究进入单细胞水平

  研究人员利用这一方法对小鼠海马、前额叶、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元内的数千种化学小分子进行了快速质谱检测,并同步采集了电生理信号。

  海马、前额叶、杏仁核、纹状体这四个核团无论是在人类还是低等动物中都非常重要,与学习、记忆和情绪等行为以及相关疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等有着密切的联系。这些核团内的神经元种类繁多,目前国内外有多个课题组正在从单细胞测序的角度解析这些核团的神经元分类及对其功能进行鉴定。熊伟教授表示,他们对这四个核团神经元进行质谱研究,也正是想从单细胞水平全面分析这些核团神经元的代谢组学情况,以及这些代谢通路和代谢组在学习、记忆和情绪等行为及其相关疾病中的作用机制。

  在这项研究中,研究人员主要对不同年龄段的小鼠海马、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元中的谷氨酰胺(Gln)、谷氨酸(Glu)以及GABA等化学小分子进行定性、定量分析并对其进行神经元分类。

  Glu和GABA是中枢神经系统两大类神经递质(兴奋性或抑制性)的代表性分子。早期人们认为一个神经元内只存在一种递质,其全部末梢只能释放同一种递质,这被称之为戴尔原则(Dale's principle)。然而随着科学技术的发展,人们逐渐认识到两种或两种以上递质(包括调质)可存在于同一神经元内,在适当的刺激下可经突触前膜共同释放。这种新的观点得到了众多电生理及免疫组化等实验的证明。然而这些证据大部分都是间接的证据,尚无直接证据表明二者的共存。这项研究首次在单细胞水平,通过质谱分析给出了二者共存于同一神经元内的直接证据。同时,研究人员还发现了一些尚未在神经系统中被发现的小分子,他们正在努力研究其作用和分子机制。

  此外,研究还鉴定了单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径。Gln-Glu-GABA通路是谷氨酸和GABA代谢的经典通路,尤其是谷氨酸,它不仅仅作为兴奋性神经递质存在于神经元内,还大量参与到蛋白质的合成代谢以及细胞能量供应体系中。而GABA是中枢神经系统的抑制性递质,可以防止神经细胞过度兴奋。二者与各种脑疾病都有着密切的关系,如自闭症、阿尔茨海默病、帕金森病等。该通路在大脑的发育和衰老中扮演着非常重要的角色。对单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径的鉴定对于深入理解这条代谢通路以及与之相关的疾病机制具有重要意义。

  这项研究首次利用化学质谱方法直接无稀释地检测单个神经元中多种神经递质、代谢物、脂质等化学小分子,对单个神经元化学成分及代谢物进行了即时分析,并将目前神经细胞成分分析的研究推向了一个活细胞及单细胞水平。这一技术在将来或许能够帮助科学家们在单细胞层次上去研究神经生物学、代谢组学、毒理学等生命科学的重大问题。

  谈到临床应用前景时,熊伟教授的态度也十分肯定。他表示,该技术允许研究人员对血液、脑脊液等样品中的单个细胞进行质谱检测,结合相应的生物标记物,完全有可能对阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等神经精神疾病的早期诊断提供帮助。

  4、后记

  熊伟教授从事神经科学研究,他认为现代神经科学研究需要技术的快速研发以及多领域多学科的交叉合作,必须发展包括显微成像、分子示踪、质谱分析、光遗传学以及转基因操作等最新的生物、物理、化学与工程材料等多学科交叉技术。熊伟教授表示,对他而言,科研不仅仅是工作,也是兴趣,尤其是对新技术的热切追求,驱动着他不断前行。熊伟教授及其研究团队也正在和中国科大的其它实验室展开合作,和不同的领域的科学家交流和分享科研心得是一种享受。

  关于研究人员

  该项工作由中科大生命学院博士后朱洪影、生命学院博士研究生邹桂昌、王宁在熊伟教授和黄光明教授的共同指导下完成。该研究工作得到了国家自然科学基金委重大研究计划、科技部、中科院战略性先导科技专项(B类)以及国家青年千人计划等的资助。该工作还得到中国科学技术大学同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。

  关于熊伟教授


熊伟 教授

  国家中组部“青年千人计划”获得者,2001年毕业于北京大学生命科学学院,获理学学士学位。2006年毕业于北京大学生命科学学院,获理学博士学位。2006至2013年,在美国国立卫生研究院(NIH)酒精滥用与酒精中毒研究所(NIAAA)做博士后研究工作。2013年3月加入中国科学技术大学生命科学学院。中科院脑科学与智能技术卓越创新中心骨干成员。中科大神经退行性疾病研究中心暨脑资源库核心成员。长期从事与神经化学、药理学、小分子药物研发相关的神经科学研究,运用多种先进的实验技术从分子、细胞水平、到动物行为进行了深入系统的研究,并取得了系列重要成果。研究工作发表在Nature Neuroscience, Nature Chemical Biology, Journal of Experimental Medicine, PNAS, Journal of Neuroscience, Molecular Pharmacology等国际学术期刊上。获得过多项国家级基金资助。