近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心与生命科学学院、中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所双聘教授毕国强和刘北明团队，与美国加州大学洛杉矶分校周正洪教授合作，通过发展前沿冷冻电镜断层三维成像技术，在神经突触的分子组织架构与功能研究方面取得突破。相关研究成果以Mesophasic organization of GABAA receptors in hippocampal inhibitory synapses为题发表在Nature Neuroscience.
神经突触是大脑中众多神经元之间信息传递和存储的最基本的结构与功能单元。突触的异常则可能是导致如抑郁症和阿尔茨海默病等精神与神经疾病的起源。精确解析突触的蛋白分子结构和组织架构、及其在神经活动或异常过程中的变化是解密大脑奥妙的一个关键环节，也是脑科学与脑疾病研究中最基础的核心研究方向之一。由于缺乏有效的研究手段，神经突触在很大程度上仍旧是一个“黑盒子”。冷冻电镜（CryoEM）技术的快速发展，一方面使得众多通过分离纯化后的蛋白质等生物大分子近原子分辨三维结构得以解析，另一方面，基于最新的冷冻电镜断层三维成像技术（CryoET）能够对保存在近生理状态下细胞和组织样本进行纳米分辨率的三维成像，为在神经突触及其它细胞区室中原位解析蛋白质分子结构和组织架构带来了新的契机。
毕国强教授多年来着重于发展用于突触、神经网络及全脑尺度解析的前沿显微成像技术，自从2007年回国后，核心工作之一即是与周正洪教授和匹兹堡大学章佩君教授合作，发展CryoET原位三维成像技术，重点应用于突触结构与功能研究，并在合肥微尺度国家研究中心建设了发展和应用光学与电子显微技术的集成影像中心，与张小康、陶长路、刘云涛等学生一起，经过长达十年的艰苦攻关，研发了新型冷冻光电关联显微成像技术，在国际上开创性地开展了基于冷冻电镜与关联显微成像技术的神经突触超微结构与功能研究，首次利用CryoET解析了完整神经突触的三维结构，并实现了对中枢神经系统中两类最主要突触-兴奋性与抑制性突触的精确区分以及结构特征的定量化分析（Tao, JNeurosci, 2018封面文章；Tao, Front Neuroanat, 2018；Liu, Curr Opin Struct Biol,2019；Sun, Biophysics Reports封面文章等）。
在此基础上，研究团队发展了一种基于过采样与自动分类的冷冻电镜断层三维成像亚区域图像处理方法，实现了对细胞断层三维重构图像中无标记和无模板依赖的蛋白质自动识别和三维重构分析。基于这一方法，研究团队实现了对抑制性神经突触中GABAA受体的自动化辨别并解析了其19Å分辨率的原位三维结构。 进一步，通过对GABAA受体在突触中的空间分布进行分析，发现了这些受体在抑制性突触中呈现层级状的组织分布规则：GABAA受体之间可以形成具有距离固定（11nm间距）而相对角度可变的双分子复合物；这种双分子复合物进一步组成具有较低熵并且具备自组织特性的二维网络；最后形成具有清晰边界并介于固、液之间的“介态”相分离状态（mesophasic organization）。这种组织形式可以通过突触后支架蛋白和受体之间灵活相互作用而形成，并且与突触前囊泡释放位点存在对应关系。
图1. 冷冻电镜断层原位成像技术解析神经突触受体蛋白原位结构与组织分布
抑制性突触中受体分子与支架蛋白的这种介态状自组织形式，使得突触同时具备了稳定性和可变性，这一特性从分子组织结构层面很好地解释了学习与记忆的突触机理。本研究中，对GABAA受体原位三维结构的首次解析，为受体分子等蛋白质的原位高分辨解析以及相应药物作用机理和治疗药物开发研究奠定了基础，审稿人称赞到：“这是向原位解析生理条件下受体蛋白高分辨结构迈出了至关重要的一步”(an important step forward toward a larger goal of higher resolution structures of native receptors in situ.）。对抑制性突触分子组织架构的解析表明利用冷冻电镜技术对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密迈出了关键的一步，审稿人则评论道：“据我所知，这是首次利用冷冻电镜断层成像技术对受体蛋白进行定位研究分析，这一工作将成为领域内的一个里程碑。”（To my knowledge, this is the first attempt to localize GABA receptors at the ultrastructural level using this approach, and will be one of the landmark paper in the field.）
图2. 抑制性突触中受体等蛋白分子与细胞器组织分布的三维可视化
(图片版权：陶长路、刘云涛、毕国强；图片制作：王国燕、马燕兵)
本论文共同第一作者为合肥微尺度国家研究中心博士生刘云涛（现美国加州大学洛杉矶分校博士后）和博士后陶长路（现中科院深圳先进技术研究院副研究员），以及中科院深圳先进技术研究院正高级工程师张小康，通讯作者为刘北明教授、周正洪教授和毕国强教授。江苏大学夏文君副教授完成了其中数学建模和计算模拟工作。该项目得到国家自然科学基金、中科院B类先导专项、国家重点研发计划、中国博士后基金以及安徽省自然科学基金等的资助。陶长路博士获合肥微尺度国家研究中心优秀博士后资助。
文章链接为：https://www.nature.com/articles/s41593-020-00729-w
微尺度国家研究中心、生命科学学院、科研部