神經(jīng)生物學(xué)聚焦于解析神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞與組織結(jié)構(gòu),，這涵蓋了中樞神經(jīng)系統(tǒng)（腦、脊髓）和周圍神經(jīng)系統(tǒng)（由神經(jīng)元軸突形成的神經(jīng)纖維網(wǎng)絡(luò)）,，并對(duì)神經(jīng)元的形態(tài)分化（如樹突,、軸突的極化分布）、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的協(xié)同支持功能都有所研究,。還包括了突觸介導(dǎo)的分子信號(hào)通路（如神經(jīng)遞質(zhì)釋放）,，以及軸突膜離子通道驅(qū)動(dòng)的電信號(hào)傳導(dǎo)等。
在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi),，電子顯微鏡技術(shù)的使用,，擴(kuò)大了我們對(duì)神經(jīng)傳遞如何發(fā)生的結(jié)構(gòu)理解，揭示了各種細(xì)胞間通信途徑,，如神經(jīng)元離子通道和感覺受體,。結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)還確定了充當(dāng)化學(xué)感受器（嗅覺和味覺）和光感受器（視覺）的關(guān)鍵蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。
電子顯微鏡在神經(jīng)科學(xué)的應(yīng)用來到第三講,！本次,，我們?yōu)榇蠹規(guī)黼婄R在腫瘤、離子通道,、感官受體等方面的研究與應(yīng)用,。
掃描二維碼 深入了解神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的電鏡應(yīng)用
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神經(jīng)元和癌癥細(xì)胞之間的相互作用在許多惡性腫瘤中都有被發(fā)現(xiàn),，但沒有直接證據(jù)證明這與癌癥轉(zhuǎn)移有相關(guān)性。目前還不清楚神經(jīng)元和非腫瘤類型的癌癥細(xì)胞之間是否存在突觸通信,，如果存在,，或許可以有效解釋癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移這一醫(yī)學(xué)難題。Venkataramani 等人借助 3D EM 技術(shù),，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元竟能與非神經(jīng)癌細(xì)胞形成直接突觸,，并在癌癥細(xì)胞中產(chǎn)生興奮性突觸后電流。這一發(fā)現(xiàn)意義重大,，不僅揭示了神經(jīng)元 - 癌細(xì)胞相互作用的機(jī)制,，還為探究癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的過程提供了新方向，更為潛在治療策略的開發(fā)帶來了希望,。就像在黑暗中為我們點(diǎn)亮了一盞燈，指引著攻克癌癥轉(zhuǎn)移難題的道路,。
（Green--Tumor Cell綠色--腫瘤細(xì)胞; Yellow—Neuronal Presynaptic Bouton黃色—神經(jīng)元突觸前基底; Red—Presynaptic Vesicles 紅色—突觸前小泡 ）
3D EM reconstruction of presynaptic vesicles (red) in a melanomabased brain micro-metastasis. Reproduced under CC BY 4.0.
基于黑色素瘤的腦微轉(zhuǎn)移瘤突觸前囊泡（紅色）的3D EM重建
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tRNA 甲基化作為一類重要的RNA表觀遺傳修飾,，在細(xì)胞生長(zhǎng)與增殖中起著關(guān)鍵作用，比如增強(qiáng)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的翻譯效率,，維持翻譯保真度等,。N7-methylguanosine (m7G) 是tRNA上最豐富的化學(xué)修飾之一，其甲基化轉(zhuǎn)移酶METTL1-WDR4 復(fù)合物被證明與多種癌癥及腦部發(fā)育等疾病的發(fā)生相關(guān),。,。Ruiz - Arroyo 團(tuán)隊(duì)深入研究METTL1-WDR4與 tRNA 的復(fù)合物，通過單顆粒分析結(jié)構(gòu),，成功解析了 METTL1 的甲基化機(jī)制,，讓我們對(duì)甲基化功能障礙和相關(guān)疾病有了更深入的理解，為腦癌治療的研究添磚加瓦,。
3.53 A resolution single particle analysis structure of human METTL1-WDR4 in complex with Lys- tRNA and S-adenosylhomocysteine. PBD ID: 8EG0
METTL1-WDR4與Lys-tRNA和S-腺苷高半胱氨酸復(fù)合物的分辨率單顆粒分析結(jié)構(gòu),，分辨率3.53埃。PBD ID:8EG0
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當(dāng)身體的T細(xì)胞或抗體攻擊自身抗原時(shí),，就會(huì)產(chǎn)生自身免疫,。這種不適當(dāng)?shù)拿庖叻磻?yīng)的觸發(fā)因素可能是環(huán)境因素，比如病毒誘發(fā),，也可能是內(nèi)部因素,，比如腫瘤誘發(fā)。當(dāng)這種自發(fā)免疫發(fā)生在腦部時(shí),，就會(huì)產(chǎn)生自身免疫性腦炎,。其往往伴隨急性發(fā)作的精神病、癲癇,、運(yùn)動(dòng)障礙,、意識(shí)受損和自主神經(jīng)異常等,。Noviello 等人對(duì)腦炎患者體內(nèi)與 GABA 受體結(jié)合的抗體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)層面揭示了 GABA 抑制的機(jī)制以及自身免疫性腦炎的病理基礎(chǔ),，為腦炎的診斷和治療提供了重要的理論依據(jù),，仿佛為我們打開了一扇了解腦炎發(fā)病機(jī)制的大門。
Single particle analysis structure of a human GABAA receptor in complex with a Fab115 antibody at 3.00 A resolution. PDB ID: 7T0W人類GABAA受體與Fab115抗體復(fù)合物的單顆粒分析結(jié)構(gòu),，分辨率為3.00埃,。PDB ID:7T0W
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電壓門控鈣離子通道（Cav）是鈣離子進(jìn)入細(xì)胞的重要通道，能夠特異性傳遞鈣離子,，進(jìn)而參與多種重要的生理過程,。一旦 Cav 的功能發(fā)生異常或紊亂,，則會(huì)導(dǎo)致神經(jīng),、心血管系統(tǒng)等多種疾病，對(duì)人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅,。在這些電壓門控鈣離子通道中,，鈣通道Cav1.2是大腦、心臟和平滑肌中主要L型鈣通道,。在細(xì)胞和神經(jīng)元功能至關(guān)重要,，Gao 等人利用單顆粒分析技術(shù)，研究了在多種調(diào)節(jié)劑存在下人類鈣通道 Cav1.2 的結(jié)構(gòu),，為理解其功能和相關(guān)藥物作用機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),，幫助我們更好地認(rèn)識(shí)細(xì)胞和神經(jīng)元內(nèi)部的 “通信密碼”。
Kv2.1電壓活化鉀離子通道是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中關(guān)鍵的延遲整流通道,，其激活和失活機(jī)制通過調(diào)控神經(jīng)元復(fù)極化和動(dòng)作電位發(fā)放頻率,，維持神經(jīng)元興奮性平衡。Kv2.1的顯性突變會(huì)導(dǎo)致患者發(fā)生癲癇性腦,。并且Kv2.1敲除的小鼠也會(huì)出現(xiàn)癲癇,、多動(dòng)和空間學(xué)習(xí)缺陷等病理表現(xiàn)。雖然Kv2.1具有重要的病理生理意義,，其結(jié)構(gòu)至今仍未得到解析,。Fernández - Mariño 等人通過單顆粒分析技術(shù)，研究脂質(zhì)環(huán)境中 Kv2.1 通道的結(jié)構(gòu),，揭示了其失活機(jī)制,，為優(yōu)化針對(duì)電壓激活陽離子通道的藥物提供了關(guān)鍵依據(jù)，給癲癇性腦病的治療帶來了新的曙光,。
Single particle analysis structure of the Kv2.1(1-598) ion channel in nanodiscs from R. norvegicus at 2.95 A resolution. PDB ID: 8SD3
褐家鼠納米盤中Kv2.1（1-598）離子通道的單顆粒分析結(jié)構(gòu),，分辨率為2.95 埃。PDB ID:8SD3
生物膜在細(xì)胞和細(xì)胞器中提供物理屏障,，維持電化學(xué)梯度,，用于觸發(fā)各種膜蛋白發(fā)揮生理關(guān)鍵功能,。電壓門控離子通道（VGIC）是一類跨膜蛋白，當(dāng)它們被激活時(shí),，可以選擇性地滲透Na+,、K+、Ca2+和Cl-等離子,，并伴隨通道周圍膜電位的變化而發(fā)生構(gòu)象變化,。電壓門控通道在生理過程中作用關(guān)鍵，但研究其作用機(jī)制困難重重,，因?yàn)殡y以在純化的蛋白樣品中施加電位差,。Chang, SYS（張世穎）等人利用冷凍電鏡斷層掃描（cryo - ET）以及子斷層平均（StA）技術(shù)，在脂質(zhì)體環(huán)境中分析細(xì)菌電壓門控鈉通道 NaChBac 的結(jié)構(gòu),。簡(jiǎn)單說來利用脂質(zhì)體技術(shù)模擬此蛋白在細(xì)胞上受膜電位調(diào)控的生理環(huán)境,，將之制成冷凍樣品后，然后應(yīng)用cryo-ET 和StA技術(shù)獲取蛋白質(zhì)構(gòu)型變化的信息,，為研究電壓門控通道的功能提供了新方法和思路,，讓我們離解開電壓門控通道的神秘面紗又近了一步。
Cryo-ET slices of proteoliposomes used to study a bacterial sodium channel. Reproduced under CC BY 4.0.
用于研究細(xì)菌鈉通道的蛋白脂質(zhì)體cryo-ET圖像,，白色星號(hào)表示脂質(zhì)體結(jié)合的膜蛋白的膜外區(qū)域
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酸、甜,、苦,、鮮、咸共同組成了人的五種基本味感,。這些味感源于味蕾上有專門的受體,。由于大多數(shù)有毒物質(zhì)都具有苦味，苦味受體的存在可以幫助我們規(guī)避有毒食物,，具有防止中毒的重要作用,。但是苦味受體的工作機(jī)制一直是個(gè)謎，Xu 等人利用 cryo - EM 技術(shù),，發(fā)現(xiàn) 2 型味覺受體（TAS2Rs）具有高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu),，這使其能夠識(shí)別并被多種配體激活，揭開了苦味感知這一復(fù)雜化學(xué)感應(yīng)過程背后的分子機(jī)制,，讓我們對(duì)味覺的奧秘有了新的認(rèn)識(shí),。
Single particle analysis structure of active human GPCR (class T) at 3.01 A resolution. PDB ID: 7XP6
激活態(tài)人類GPCR （T類）的單顆粒分析結(jié)構(gòu)，分辨率3.01埃,。PDB id: 7XP6
這些研究成果展現(xiàn)了神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,，相信在科學(xué)家們的不斷努力下，未來我們還將解鎖更多生命的奧秘,！期待更多小伙伴關(guān)注神經(jīng)生物學(xué),，一起探索生命的神奇,！
參考文獻(xiàn)
1.Venkataramani, V, et al. Direct excitatory synapses between neurons and tumor cells drive brain metastatic seeding of breast cancer and melanoma. bioRxiv 2024.01.08.574608 (2024). doi: 10.1101/2024.01.08.574608
2.Ruiz - Arroyo, VM, et al. Structures and mechanisms of tRNA methylation by METTL1 - WDR4. Nature 613 (2023). doi: 10.1038/s41586 - 022 - 05565 - 5
3.Noviello, CM, et al. Structural mechanisms of GABA receptor autoimmune encephalitis. Cell 185:14 (2022). doi: 10.1016/j.cell.2022.06.025
4.Gao, S, et al. Structural basis for human CaV 1.2 inhibition by multiple drugs and the neurotoxin calciseptine. Cell 186:24 (2023). doi: 10.1016/j.cell.2023.10.007
5.Fernández - Mariño, AI, et al. Inactivation of the Kv2.1 channel through electromechanical coupling. Nature 622 (2023). doi: 10.1038/s41586 - 023 - 06582 - 8
6.Chang, SYS, et al. Determining the structure of the bacterial voltage - gated sodium channel NaChBac embedded in liposomes by cryo electron tomography and subtomogram averaging. Sci Rep 13:11523 (2023). doi: 10.1038/s41598 - 023 - 38027 - 7
7.Xu, W, et al. Structural basis for strychnine activation of human bitter taste receptor TAS2R46. Science 377:6612 (2022). doi: 10.1126/science.abo1633
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