生物化学教学课件 突触.docx

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1、自闭症的生物化学（三）解开自闭症谜团的钥匙---突触作者：仇子龙（中国科学院上海神经科学研究所研究员博士生导师）20世纪80年代末与90年代初，伴随着多聚酶链式反应（PCR）技术的出现，分子生物学进入黄金时代。而在此之前，高效率扩增DNA序列是不可能的。PCR的出现让基因的克隆进入井喷时期。1991年，美国哥伦比亚大学的Axel教授与Buck博士利用PCR方法发现了庞大的嗅觉受体基因家族，并于十多年后因此一起获得诺贝尔医学与生理学奖。1992年，在美国德克萨斯大学西南医学研究中心，年仅36岁的TomSudhof博

2、士已经拥有了自己的实验室，成为助理教授。他是一位生物化学家，但是却对神经科学非常感兴趣，他决心用自己学到的生物化学和最新的分子生物学方法来研究复杂的大脑。怎么入手呢？故事要从突触说起。我们大脑中的主要细胞——神经元是如何相互通讯的呢？1897年英国神经生理学家Sherrington提出了“突触”的概念。他通过当时非常有限的神经生理学知识，创造性地提出：神经元之间通过一种叫作突触的结构来相互通讯，而并非直接连通（图1）。至于突触有什么特性，怎么组成，这些问题是一百多年后通过分子生物学的手段来解决的。【图1　突触（李

3、叶菲图）】年轻的Sudhof博士雄心勃勃地要用生物化学的方法来解开突触的奥秘。当时已经知道突触是细胞膜的脂双层结构，上面有一些神经递质受体，但是突触之所以能够形成，仿佛不是神经递质受体的作用，因为神经递质传导通常发生在神经元的突触连接建立完成的时刻，那么究竟是什么信号诱导了突触连接的形成呢？Sudhof博士认为，一定是突触上面有一些跨膜的蛋白质，介导了前一个神经元与后一个神经元形成突触，然后突触传导才能够发生。怎样找到这些微小突触上的跨膜蛋白呢？他们使用了一种非常巧妙的方法，借助黑寡妇毒蜘蛛的力量。毒理学家们从黑

4、寡妇毒蜘蛛的毒液中分离出一种蛛毒素（latrotoxin），并应用电生理学的方法知道蛛毒素可以非常强烈地诱导突触的递质发放而使生物体的神经末梢瘫痪，这就是毒蜘蛛致命毒液的奥秘。Sudhof博士想，蛛毒素本身是一种蛋白质，它之所以能够诱导突触的递质发放，是否是蛛毒素作用在了突触上的某种蛋白质上而产生的效应呢？应用高超的生物化学技术，Sudhof博士用蛛毒素蛋白做亲和层析的诱饵，在大脑样本中纯化到了很多与蛛毒素蛋白相互作用的蛋白，接着对这些肽段进行分析以后得到可能的DNA编码序列，应用简并探针进行PCR的扩增，从基因

5、文库中扩增到了一个神奇的基因，这个基因编码的跨膜蛋白质位于神经突触的突触前部分，确实与突触递质释放关系密切。Sudhof博士给这个蛋白起了一个很文艺的名字—Neurexin，不知后缀-xin是否是为了纪念蛛毒素的功绩[1]。在发现了Neurexin后，Sudhof博士越战越勇，继续用Neurexin作为诱饵，用生物化学的方法发现了Neurexin蛋白在突触后的配体——neuroligin[2]。从此神经突触最重要的粘联蛋白家族终于揭开了神秘的面纱。这个neurexin-neuroligin家族拥有众多的家族成员，

6、结构复杂功能重要，引无数生物学家竞折腰。笔者原以为Sudhof博士会因为发现了这个神秘突触粘联蛋白家族而获得诺贝尔奖，没想到Sudhof博士却因为另外一个重要发现“突触前的囊泡转运蛋白”刚刚在今年获得了诺贝尔医学与生理学奖。造化弄人，Sudhof博士在接到斯德哥尔摩的电话时的第一反应居然是，“你不是开玩笑吧！”享受诺贝尔奖荣光的同时，我们期待Sudhof博士会继续20年前发现neurexin-neuroligin的传奇。突触与自闭症在发现了neurexin-neuroligin家族之后，Sudhof博士的团队很快

7、发现位于突触后结构的neuroligin蛋白与突触后的骨架蛋白PSD95有非常强的相互作用[3]。那么neurexin与neuroligin蛋白家族究竟与突触的形成有什么关系呢？这时在美国哥伦比亚大学的Scheiffele博士实验室与华盛顿大学的Craig博士实验室发表了一系列里程碑式的文章，证明neurexin与neuroligin家族确实对于突触的形成有非常重要的作用（图2）[4-6]。【图2　neurexin-neuroligin在突触中的重要功能（李叶菲图）】在神经生物学家正在为揭开neurexin-ne

8、uroligin家族的神秘面纱如痴如醉的时候，一篇法国科学家发表在《自然-遗传学》上的论文一下子让neuroligin家族成为自闭症研究领域的焦点[7]。法国的遗传学家们在对多个患有自闭症的家系进行基因测序的分析中，意外地发现位于X染色体上的neuroligin3与neuroligin4基因在自闭症病人中都发生了突变。同一个研究组于2007年又发现另外一种突触中的重要骨架