华人学者团队首次验证组合编码猜想，Piezo分子控制神经元树突发育，为研究转录因子功能与机理提出新方法

 人类大脑中大概包括 860 亿个神经元，每个神经元可以形成很多的突触联系。神经元之间的联系具有很高的特异性，神经元网络类似一个电路，如果电路中的线接错了，电路肯定不能够很好地工作。所以，电路的每一根电线都要接对地方，大脑也是同样的道理，只有当神经元连接好时，才能够正常地工作。

实际上，人类基因组里只有两万多个基因，其中参与编码神经元细胞表面蛋白的更少，可能几千个基因都不到。因此，利用较少数量的基因去编码这么多的神经元，并且还要让它们形成特异性的联系，这其实是一件很困难的事情。

如果采用一对一的编码模式，即分子 a 编码 a 连接，分子 b 编码 b 连接，那么两万多个基因用完之后，也就只能够编码两万多个连接，而无法实现庞大的神经元联系网络。所以，在发育生物学中，根据以前的观察以及大家的猜测，一直有一个猜想叫做“组合编码猜想”。

具体来说，组合编码猜想的核心是考虑基因的排列组合，比如，存在三个分子 abc，利用 a、ab、abc、b、bc、c、ca 的排列组合，三个分子就可以形成更多的独特的身份编码。当分子数量增加，可编码的神经元更多。换句话说，一个分子可以被很多种类的神经元重复使用，而每一个神经元实际上是运用多个分子组合编码产生特异性。

图 | 相关论文（来源： Neuron ）

近日，斯坦福大学与霍华德休斯医学研究所骆利群教授课题组在  Neuron  上发表研究论文，第一次从实验和数据上支持了组合编码这一猜想。相关论文题为《转录因子 Acj 6 通过组合的细胞表面编码控制树突的连接》（Transcription factor Acj6 controls dendrite targeting via a combinatorial cell-surface code）[1]。骆利群实验室博士生谢琦婧（现为谷歌旗下生物创新公司 Calico 科学家）、李介夫（现为霍华德休斯医学研究所珍尼亚研究园区研究组组长）为论文的共同第一作者。

图 | 骆利群教授、谢琦婧博士与李介夫博士（从左至右）

李介夫表示，在 2020 年发表于  Cell  的论文《果蝇大脑中的细胞表面蛋白质组分析发现神经连接调节分子》（Cell-Surface Proteomic Profiling in the Fly Brain Uncovers Wiring Regulators）[2]中，首次让我们能够刻画一个神经元细胞表面的所有蛋白，之后，我们就知道神经元上会表达什么，然后就可以进行测试和功能性实验。在这项研究中，研究者们发明了一种高时空分辨率的蛋白组学技术。

李介夫举例解释道：“这一技术过程就像对着物体喷油漆，喷完后物体周围都会沾上油漆。然后，我们就以油漆为标志抓取物体（研究中即为蛋白）。这一方法使我们可以在组织内部原位把细胞表面的蛋白抓下来。同时，它有细胞种类的特异性以及时空分辨率，意味着我们不需要把组织打散。运用该技术，我们发现一个分子可以有很复杂的信号和功能，并弄清楚表面蛋白如何在神经发育过程中起作用。”这项技术为后续研究， 包括刚刚发表的这篇 Neuron 论文，提供了基础。

最近发表的这项研究还有一些令人意外的发现。2021 年的诺贝尔生理学或医学奖授予了介导机械感受的离子通道 Piezo，这一重要的分子与痛觉、触觉、以及心肺功能有关，一直以来人们都把它作为感受机械力的离子通道来进行研究。

“然而，在我们的研究中，发现 Piezo 分子在果蝇中可以控制树突发育的，这是出乎意料的，也说明这些分子实际上有多样化的功能。同时，我们造了一个突变体，使得 Piezo 分子不能够感受机械力，然而突变体依然能够很好地介导果蝇的树突发育。”李介夫说。

简单来理解，在对 Piezo 分子研究多年之后，该团队发现它有除作为离子通道之外的功能，这也是文章的另外一个亮点。

（来源： Neuron ）

到现在为止，果蝇依然是非常好的遗传模式生物。李介夫分享道，首先，研究果蝇的工具非常多，使得我们特别容易进行遗传操作；其次，果蝇的代时比较短，大概十多天我们就能够拿到下一代。所以对于生物学者，可以进行更多的实验。另外，果蝇的嗅觉系统是研究神经发育的一个非常好的模式系统。

谈到果蝇的发现对哺乳动物神经元发育调控的意义，李介夫表示，“从分子层面来说，根据我们现在的结果，与神经发育有关的分子绝大部分都是高度保守的，因为神经系统的发育是一个非常重要的而且在演化上非常古老的生物学过程。”

果蝇是一个又好又快的遗传操作系统，可以做高通量的筛选，从而找到关键分子，然后再拿到哺乳动物中进行研究。然而，在哺乳动物中很难做遗传筛选。在理论层面，科研人员所研究的机理或者原理通常是保守的。也就是说，除了这些分子以外，一些细胞生物学上的过程组织起来的原理或机理也高度保守。

所以，通过果蝇的研究实际上可以知道非常多的信息，从而指导科学家进一步在哺乳动物中进行研究。其最终目的是为了研究一种具有普适意义的机理。

李介夫表示，实际上，其他的转录因子可能也是通过组合编码的形式调控细胞表面蛋白，但是目前还缺少实验证据。更有意思的是，在论文的最后，研究者们提出了一个模型，根据其他论文的数据和单细胞测序的结果，发现可能存在就是两种相互交织的组合编码。

一个是在转录因子层面，即每一个细胞实际上表达很多的转录因子，然后，这些转录因子以组合编码来确定神经元的身份。另一方面，神经元表面有一群真正介导神经发育的分子表面蛋白，它们也会进行组合编码。李介夫说：“当然，这只是我们现在的一个比较大的猜测，但很有可能是真的。”

（来源：Neuron）

李介夫提到，相关论文的发表过程都比较顺利，说明编辑和审稿人对这项工作的质量和实验的可信程度非常认可。

关于下一步计划，他说：“我们正在往哺乳动物的方向去做；另外，我在博后期间也做了一些免疫相关的工作。实验室创建后，主要会将生物学问题和工具的开发结合起来。对于生物学问题，主要关注神经和免疫的细胞生物学，有可能以后会做一些神经免疫相关的研究；关于方法学，我们还会继续开发新的工具来研究细胞表面的信号，服务于生物学问题。”

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支持：Bao

参考：
1、 Xie, Q., Li, J., Li, H., Udeshi, N.D., Svinkina, T., Orlin, D., Kohani, S., Guajardo, R., Mani, D.R., Xu, C., et al. (2022). Transcription factor Acj6 controls dendrite targeting via a combinatorial cell-surface code. Neuron. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.04.026
2.、Li J, Han S, Li H, Udeshi ND, Svinkina T, Mani DR, Xu C, Guajardo R, Xie Q, Li T, Luginbuhl DJ, Wu B, McLaughlin CN, Xie A, Kaewsapsak P, Quake SR, Carr SA, Ting AY, Luo L. Cell-Surface Proteomic Profiling in the Fly Brain Uncovers Wiring Regulators. Cell. 2020 Jan 23;180(2):373-386.e15. doi: 10.1016/j.cell.2019.12.029.