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至熊伟教授:新型质谱技术让神经化学研究进入单细胞时代

2021-09-13 | 公司新闻
熊伟教授:新型质谱技术让神经化学研究进入单细胞时代 熊伟教授:新型质谱技术让神经化学研究进入单细胞时期 时间:2017⑷⑴7 13:12:00

单细胞技术不但在测序方面获得了极大进展,单细胞质谱最多能到达20次分析也正在逐步得到更多的关注。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。

今年初,中国科大的熊伟教授和黄光明教授等人在PNAS上发表了1项研究,他们利用1种新技术对单个神经元内的数千种化学小份子进行了快速质谱检测,并且可以做到同步收集电生理信号,在单细胞层次上成功地完成了对神经元功能、代谢物组成及其代谢通路的研究。

至熊伟教授:新型质谱技术让神经化学研究进入单细胞时代

采访佳宾:熊伟

世界上没有两片完全相同的叶子,细胞也是。但是,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,而疏忽了细胞异质性。

就拿神经细胞来讲,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,电生理和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、化学份子组成、含量、代谢也都有着很大的差别。在直径不到1毫米的1个很小的脑区,可能就存在几10种乃至上百种完全不同的神经元和胶质细胞类型。乃至很多情况下,即便物理距离上相邻的两个神经元也多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、蛋白质组和代谢组进行分析,具有重要的生物学价值。

单细胞技术在最近几年发展非常迅速,比如单细胞测序,已广泛利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导,将单细胞测序的利用列为2013年度重要的方法学进展。

单细胞技术不但在测序方面获得了极大进展,单细胞质谱分析也正在逐步得到更多的关注。与用于分析单个细胞基因组的单细胞测序不同在加长拉伸空间的同时,单细胞质谱主要是研究单个细胞内的代谢物情况,例如化学小份子的组成、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没法检测的小份子化合物,和它们的代谢进程。同时,由于质谱本身的优势,不需要采取测序或特异性抗体等外部手段,就能够分析检测到的化学物资信息,可以说是物美价廉。 不过,由于质谱技术本身的局限性,目前还没法做到类似单细胞测序那样的大范围丈量。

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,熊伟教授认识了另外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1种小样品质谱丈量技术。经过量次讨论,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1新技术。

目前质谱技术在神经科学中的利用,主要还是采取对大量组织细胞匀浆后的样品进符合当前环保的社会主流思想行分析。在单细胞检测中,质谱分析由于具有高灵敏度,大的线性范围和高通量分析化学份子的特点,逐步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,没法保持采样时细胞的活性;冗杂的处理和分离进程也致使较慢的分析速度,没法短时间内完成大量单细胞分析;并缺少来自同1细胞的电生理信号;终致使单细胞代谢物的质谱分析没法大范围用于神经细胞的分析。

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,熊伟教授予黄光明教授等人在PNAS上发表了1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和电喷雾离子源技术建立了1种稳定的单神经元胞内组分取样和质谱组分分析技术。

至熊伟教授:新型质谱技术让神经化学研究进入单细胞时代

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,记录膜片之外部位的全细胞膜的离子电流。而电喷雾技术主要是利用1个高压交换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1新方法大的优势是可以原位对活细胞进行取样,并且同时收集细胞位置、电生理活动和细胞内化学成份等多方面的信息。

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1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份子进行了快速质谱检测,并同步收集了电生理信号。

海马、前额叶、杏仁核、纹状体这4个核团不管是在人类还是低等动物中都非常重要,与学习、记忆和情绪等行动和相干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4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,和这些代谢通路和代谢组在学习、记忆和情绪等行动及其相干疾病中的作用机制。

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、谷氨酸和GABA等化学小份子进行定性、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的代表性份子。初期人们认为1个神经元内只存在1种递质,其全部末梢只能释放同1种递质,这被称之为戴尔原则。但是随着科学技术的发展,人们逐步认识到两种或两种以上递质可存在于同1神经元内,在适当的刺激下可经突触前膜共同释放。这类新的观点得到了众多电生理及免疫组化等实验的证明。但是这些证据大部份都是间接的证据,还没有直接证据表明2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2者共存于同1神经元内的直接证据。同时,研究人员还发现了1些还没有在神经系统中被发现的小份子,他们正在努力研究其作用和份子机制。

另外,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,特别是谷氨酸,它不单单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和细胞能量供应体系中。而GABA是中枢神经系统的抑制性递质,可以避免神经细胞过度兴奋。2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深入理解这条代谢通路和与之相干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、脂质等化学小份子,对单个神经元化学成份及代谢物进行了即时分析,并将目前神经细胞成份分析的研究推向了1个活细胞及单细胞水平。这1技术在将来也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。

谈到临床利用前景时,熊伟教授的态度也10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初期诊断提供帮助。

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和多领域多学科的交叉合作,必须发展包括显微成像、份子示踪、质谱分析、光遗传学和转基因操作等新的生物、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,科研不单单是工作,也是兴趣,特别是对新技术的热切寻求,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换和分享科研心得是1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点下完成。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和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

至熊伟教授:新型质谱技术让神经化学研究进入单细胞时代

熊伟 教授

国家中组部青年千人计划取得者,2001年毕业于北京大由于回弹应力的存在学生命科学学院,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酒精滥用与酒精中毒研究所做博士后研究工作。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。长时间从事与神经化学、药理学、小份子药物研发相干的神经科学研究,应用多种先进的实验技术从份子、细胞水平、到动物行动进行了深入系统的研究,并获得了系列重要成果。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。取得过量项基金资助。

编辑点评

质谱分析由于具有高灵敏度,大的线性范围和高通量分析化学份子的特点,逐步被用于单细胞的细胞代谢分析。近期,研究团队依托电生理膜片钳和电喷雾离子源技术建立了1种稳定的单神经元胞内组分取样和质谱组分分析技术。这项研究首次在单细胞水平,通过质谱分析给出了2者共存于同1神经元内的直接证据。