神經生物學聚焦于解析神經系統(tǒng)的細胞與組織結構，這涵蓋了中樞神經系統(tǒng)（腦、脊髓）和周圍神經系統(tǒng)（由神經元軸突形成的神經纖維網絡），并對神經元的形態(tài)分化（如樹突、軸突的極化分布）、神經膠質細胞的協(xié)同支持功能都有所研究。還包括了突觸介導的分子信號通路（如神經遞質釋放），以及軸突膜離子通道驅動的電信號傳導等。
在神經系統(tǒng)內，電子顯微鏡技術的使用，擴大了我們對神經傳遞如何發(fā)生的結構理解，揭示了各種細胞間通信途徑，如神經元離子通道和感覺受體。結構生物學技術還確定了充當化學感受器（嗅覺和味覺）和光感受器（視覺）的關鍵蛋白質的結構和功能。
電子顯微鏡在神經科學的應用來到第三講！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用。
掃描二維碼 深入了解神經科學領域的電鏡應用
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神經元和癌癥細胞之間的相互作用在許多惡性腫瘤中都有被發(fā)現(xiàn)，但沒有直接證據證明這與癌癥轉移有相關性。目前還不清楚神經元和非腫瘤類型的癌癥細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胞轉移這一醫(yī)學難題。Venkataramani 等人借助 3D EM 技術，發(fā)現(xiàn)神經元竟能與非神經癌細胞形成直接突觸，并在癌癥細胞中產生興奮性突觸后電流。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，不僅揭示了神經元 - 癌細胞相互作用的機制，還為探究癌細胞轉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亮了一盞燈，指引著攻克癌癥轉移難題的道路。
（Green--Tumor Cell綠色--腫瘤細胞; Yellow—Neuronal Presynaptic Bouton黃色—神經元突觸前基底; 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，在細胞生長與增殖中起著關鍵作用，比如增強關鍵轉錄因子的翻譯效率，維持翻譯保真度等。N7-methylguanosine (m7G) 是tRNA上最豐富的化學修飾之一，其甲基化轉移酶METTL1-WDR4 復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。。Ruiz - Arroyo 團隊深入研究METTL1-WDR4與 tRNA 的復合物，通過單顆粒分析結構，成功解析了 METTL1 的甲基化機制，讓我們對甲基化功能障礙和相關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-腺苷高半胱氨酸復合物的分辨率單顆粒分析結構，分辨率3.53埃。PBD ID:8EG0
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當身體的T細胞或抗體攻擊自身抗原時，就會產生自身免疫。這種不適當的免疫反應的觸發(fā)因素可能是環(huán)境因素，比如病毒誘發(fā)，也可能是內部因素，比如腫瘤誘發(fā)。當這種自發(fā)免疫發(fā)生在腦部時，就會產生自身免疫性腦炎。其往往伴隨急性發(fā)作的精神病、癲癇、運動障礙、意識受損和自主神經異常等。Noviello 等人對腦炎患者體內與 GABA 受體結合的抗體結構進行分析，從結構層面揭示了 GABA 抑制的機制以及自身免疫性腦炎的病理基礎，為腦炎的診斷和治療提供了重要的理論依據，仿佛為我們打開了一扇了解腦炎發(fā)病機制的大門。
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抗體復合物的單顆粒分析結構，分辨率為3.00埃。PDB ID:7T0W
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電壓門控鈣離子通道（Cav）是鈣離子進入細胞的重要通道，能夠特異性傳遞鈣離子，進而參與多種重要的生理過程。一旦 Cav 的功能發(fā)生異?；蛭蓙y，則會導致神經、心血管系統(tǒng)等多種疾病，對人類健康產生嚴重威脅。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。在細胞和神經元功能至關重要，Gao 等人利用單顆粒分析技術，研究了在多種調節(jié)劑存在下人類鈣通道 Cav1.2 的結構，為理解其功能和相關藥物作用機制提供了結構基礎，幫助我們更好地認識細胞和神經元內部的 “通信密碼”。
Kv2.1電壓活化鉀離子通道是哺乳動物中樞神經系統(tǒng)中關鍵的延遲整流通道，其激活和失活機制通過調控神經元復極化和動作電位發(fā)放頻率，維持神經元興奮性平衡。Kv2.1的顯性突變會導致患者發(fā)生癲癇性腦。并且Kv2.1敲除的小鼠也會出現(xiàn)癲癇、多動和空間學習缺陷等病理表現(xiàn)。雖然Kv2.1具有重要的病理生理意義，其結構至今仍未得到解析。Fernández - Mariño 等人通過單顆粒分析技術，研究脂質環(huán)境中 Kv2.1 通道的結構，揭示了其失活機制，為優(yōu)化針對電壓激活陽離子通道的藥物提供了關鍵依據，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構，分辨率為2.95 埃。PDB ID:8SD3
生物膜在細胞和細胞器中提供物理屏障，維持電化學梯度，用于觸發(fā)各種膜蛋白發(fā)揮生理關鍵功能。電壓門控離子通道（VGIC）是一類跨膜蛋白，當它們被激活時，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)生構象變化。電壓門控通道在生理過程中作用關鍵，但研究其作用機制困難重重，因為難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，在脂質體環(huán)境中分析細菌電壓門控鈉通道 NaChBac 的結構。簡單說來利用脂質體技術模擬此蛋白在細胞上受膜電位調控的生理環(huán)境，將之制成冷凍樣品后，然后應用cryo-ET 和StA技術獲取蛋白質構型變化的信息，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.
用于研究細菌鈉通道的蛋白脂質體cryo-ET圖像，白色星號表示脂質體結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。由于大多數有毒物質都具有苦味，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制一直是個謎，Xu 等人利用 cryo - EM 技術，發(fā)現(xiàn) 2 型味覺受體（TAS2Rs）具有高度動態(tài)的結構，這使其能夠識別并被多種配體激活，揭開了苦味感知這一復雜化學感應過程背后的分子機制，讓我們對味覺的奧秘有了新的認識。
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）的單顆粒分析結構，分辨率3.01埃。PDB id: 7XP6
這些研究成果展現(xiàn)了神經生物學領域的蓬勃發(fā)展，相信在科學家們的不斷努力下，未來我們還將解鎖更多生命的奧秘！期待更多小伙伴關注神經生物學，一起探索生命的神奇！
參考文獻
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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