近日，中國科學技術大學（中國科大）合肥微尺度物質科學國家研究中心集成影像中心、生命科學與醫(yī)學部無膜細胞器與細胞動力學教育部重點實驗室、中國科學院深圳先進技術研究院（深圳先進院）腦信息中心畢國強/劉北明/陶長路團隊，聯(lián)合美國加州大學洛杉磯分校周正洪（Z. Hong Zhou）團隊、南方科技大學王培毅團隊、以及深圳先進院孫堅原團隊，通過自主研發(fā)的毫秒級時間分辨原位冷凍電鏡成像技術，破解了神經信息傳遞過程中，突觸囊泡釋放與快速回收的生物物理過程——“親吻-收縮-逃逸/融合”（Kiss-Shrink-Run/Collapse）（圖1）。這一成果統(tǒng)一了半個世紀以來學界關于突觸囊泡釋放與回收機制的兩個爭議模型，為理解神經信號傳遞、神經可塑性及相關腦疾病機理提供全新視角。相關成果于北京時間10月17日發(fā)表在《科學》期刊。

圖1.時間分辨冷凍電鏡技術解析突觸囊泡釋放與回收動態(tài)過程

大腦功能的實現(xiàn)，依賴于神經元之間高效而精準的突觸傳遞。當動作電位到達突觸前終端時，突觸囊泡釋放神經遞質實現(xiàn)信號的跨神經元傳遞。20世紀50年代，伯納德·卡茨（Bernard Katz）提出突觸傳遞過程中神經遞質的量子化釋放假說，奠定了神經信息傳遞的細胞機制基礎。至1970年代初，學界逐漸形成兩種對立的突觸囊泡釋放模型：全融合（Full-collapse）和親吻-逃逸（Kiss-and-run）。然而，由于囊泡釋放過程發(fā)生在毫秒時間尺度、結構變化處于納米空間尺度，技術手段的局限使得關于這兩種模型的爭議長期懸而未決，成為困擾神經科學領域半個世紀的難題。

冷凍電鏡斷層成像技術（cryo-electron tomography， cryo-ET），能夠對快速冷凍后近生理狀態(tài)的細胞樣品直接進行三維成像，已成為在細胞原位解析蛋白質等生物大分子結構及其三維空間分布的強有力工具。自2010年起，團隊致力于將cryo-ET成像應用于神經突觸的結構與功能研究，經過多年攻關，成功實現(xiàn)對原代培養(yǎng)神經細胞中完整突觸的cryo-ET成像。進一步，得益于團隊自主研發(fā)的三維重構軟件IsoNet，研究人員清晰分辨出不同形態(tài)的突觸囊泡；并首次在突觸前區(qū)域，觀測到一類直徑約29納米的“小囊泡”（正常突觸囊泡直徑在42納米左右），推測其為囊泡釋放的中間狀態(tài)（圖2）。

圖2.冷凍電鏡原位成像實現(xiàn)對囊泡三維形態(tài)的分割與定量表征

為驗證這一猜測，并進一步實現(xiàn)對突觸囊泡釋放動態(tài)過程的精準解析，研究人員將光遺傳學刺激與投入式冷凍技術進行耦合，開發(fā)出毫秒級時間分辨的冷凍電鏡制樣技術。具體實驗中，在神經元中表達光敏蛋白，利用光刺激精準誘發(fā)動作電位，隨后在不同時間間隔（4~300毫秒）對細胞進行快速冷凍固定，從而捕捉囊泡釋放的瞬時狀態(tài)?；诖朔椒?，團隊獲取了上千套高分辨率的神經突觸三維重構數(shù)據(jù)。

隨后，研究人員利用cryo-ET子斷層三維平均技術（Sub-tomogram average），對不同狀態(tài)的囊泡進行三維平均。在三維平均圖像中，可以清晰分辨出囊泡與細胞膜的半融合結構、囊泡與細胞膜形成的狹小融合孔、以及介導囊泡融合的蛋白復合物，進一步明確了這些囊泡是處于釋放的中間狀態(tài)。另一方面，研究人員通過對上千套突觸數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)了不同形態(tài)囊泡的數(shù)量隨時間的動態(tài)變化（圖3）。

圖3.時間分辨冷凍電鏡技術捕捉突觸囊泡釋放的動態(tài)過程

基于上述結果，研究團隊繪制出突觸囊泡釋放與回收的完整過程，并提出全新理論模型：囊泡在動作電位觸發(fā)后4 毫秒內，先與突觸前膜融合形成~4納米的融合孔（“親吻”，kiss），隨后收縮成表面積為原來一半的小囊泡（“收縮”，shrink），最后，大部分小囊泡在70毫秒內開始以“逃逸”（Run）方式回收，少部分則與突觸前膜“全融合”（Collapse）（圖4）。

圖4.突觸囊泡釋放與快速回收

這一研究更新了傳統(tǒng)認知：囊泡釋放并非簡單的全融合或親吻-逃逸，而是包含一個關鍵的中間收縮階段。這一“親吻-收縮-逃逸”機制，不僅統(tǒng)一了爭議半個世紀的兩種模型，同時提示了神經突觸高效與高保真?zhèn)鬟f的結構基礎，也為深入理解神經信號傳遞、突觸可塑性以及相關腦疾病的機理提供了新視角。相關創(chuàng)新技術對研究細胞內其他動態(tài)過程也具有應用價值。

中國科大特任副研究員陶長路、博士生田崇禮（現(xiàn)為中國科學院深圳先進院博士后）、博士生劉云濤（現(xiàn)為加州大學洛杉磯分校博士后）、博士生盧振航為該論文的共同第一作者。中國科大與深圳先進院雙聘畢國強教授和劉北明教授、中國科大陶長路特任副研究員、美國加州大學洛杉磯分校周正洪（Z. Hong Zhou）教授為本論文的共同通訊作者。南方科技大學王培毅（現(xiàn)山東農業(yè)大學教授）團隊、深圳先進院孫堅原團隊為本研究提供了重要支持。中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心集成影像中心、南方科技大學冷凍電鏡中心、加州大學洛杉磯分校電子納米成像中心為本項目實驗開展提供了關鍵平臺支撐。本研究獲科技創(chuàng)新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、廣東省和深圳市等科技項目資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads7954

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學與醫(yī)學部、科研部、新聞中心）

來源：中國科大