中國科大在利用冷凍電鏡解析神經突觸超微結構方面取得突破
冷凍光電關聯(lián)顯微成像技術解密神經突觸“黑匣子”
2018年2月7日，國際學術期刊—美國神經科學學會會刊《Journal of Neuroscience》以封面形式報道了中國科大微尺度物質科學國家研究中心與生命科學學院畢國強、劉北明與周正洪教授合作課題組的研究成果—利用冷凍電子斷層三維重構技術（cryo-electrontomography,cryoET）與冷凍光電關聯(lián)顯微成像技術（cryo-correlative light and electron microscopy, cryoCLEM）解析神經突觸超微結構。
突觸是大腦行為、意識、學習與記憶等功能的最基本結構與功能單元，同時也是多種腦疾病發(fā)生的起源。精確解析突觸的分子組織架構，及其在神經活動過程中的變化被認為是解密大腦奧妙的最直接有效的方法，也是神經科學中最基礎的研究工作之一。早期，生化與分子生物學、電生理學等研究發(fā)現(xiàn)了突觸中的各種大量分子和細胞器組份，并揭示了突觸的各種功能特性和可塑性規(guī)則。然而，由于研究手段的局限，突觸中的這些不同的組件是如何組織成復雜的機器來執(zhí)行不同的功能，還遠遠沒有充分觀察和解析。最新發(fā)展的冷凍電鏡技術（cryoEM），尤其是cryoET技術能夠實現(xiàn)對亞細胞乃至全細胞在納米水平分辨率的三維成像，為突觸分子組織架構的解析提供了契機。
合作課題組利用cryoET結合自主研發(fā)的冷凍光電關聯(lián)顯微成像技術實現(xiàn)了對中樞神經系統(tǒng)中兩類最主要突觸-興奮性/抑制性突觸的精確區(qū)分以及結構特征的定量化分析。通過將大鼠的海馬神經元培養(yǎng)在冷凍電鏡的特型載網上，隨后進行快速冷凍后并直接進行CryoET/CryoCLEM成像，課題組獲得了一系列完整突觸在近生理狀態(tài)下的三維結構。結合定量分析手段，首次報道了抑制性突觸的均勻薄片狀突觸后致密區(qū)結構，并發(fā)現(xiàn)兩類突觸中均存在橢球狀突觸囊泡，結束了關于兩類突觸在突觸囊泡和突觸后致密區(qū)形態(tài)精細結構上的由來已久的爭論。進一步，利用當前最先進的結合了Volta相位板、電子能量過濾器和直接探測相機的冷凍電鏡成像設備，合作課題組獲得了突觸在分子水平的精細組織架構，實現(xiàn)了在突觸原位直接觀察單個神經遞質受體蛋白復合物及其與支架蛋白的相互作用。
這是當前國際上首次利用冷凍電鏡技術對完整突觸進行系統(tǒng)性定量分析。這一工作，一方面推動了對突觸超微結構與功能這一“黑匣子”的解密，另一方面為突破冷凍電鏡技術在復雜細胞體系中原位解析生物大分子復合物的組織結構這一技術挑戰(zhàn)奠定了基礎。
圖: 利用CryoET解析離體培養(yǎng)海馬神經突觸三維結構的三維可視化渲染（Journal of Neuroscience 2018年2月7號封面）
本論文共同第一作者為合肥微尺度物質科學國家研究中心博士后陶長路和博士生劉云濤，通訊作者為畢國強教授和周正洪教授（美國加州大學洛杉磯分校終身教授，中國科學技術大學大師講席教授）。該項目得到中科院B類先導專項、國家自然科學基金、科技部973計劃等的支持。
原文鏈接：http://www.jneurosci.org/content/38/6/1493
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