大腦中的神經(jīng)細胞組成了宇宙中最復(fù)雜的系統(tǒng)，并且這些神經(jīng)細胞各有一個“身份證號碼”。上海交通大學(xué)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院吳強教授的科研團隊發(fā)現(xiàn)了大腦神經(jīng)細胞“身份證號碼”的編碼之謎，這將有助于科學(xué)家破解人類基因組的編碼調(diào)控機制，對認識腦發(fā)育中單個神經(jīng)細胞身份密碼如何建立，以及復(fù)雜神經(jīng)精神疾病發(fā)病機理將產(chǎn)生深遠影響。研究成果發(fā)表在最新一期綜合類國際頂級學(xué)術(shù)期刊PNAS上。

蛋白給細胞“設(shè)密碼”

“世界上沒有兩個完全相同的人”，人類大腦中的神經(jīng)細胞也是如此。大腦含有上千億個不同的神經(jīng)細胞，每個神經(jīng)細胞又形成了上萬個特異性突觸連接，因為它們各自有一張由原鈣粘蛋白群組合而成的“身份證”。原鈣粘蛋白群的不同表達就形成了神經(jīng)細胞的不同“身份證號碼”。

這種給神經(jīng)細胞設(shè)身份證密碼的原鈣粘蛋白，是一種分布在細胞膜表面的依賴鈣離子的粘附分子。神經(jīng)細胞如何識別和區(qū)分彼此并建立起正確的直接聯(lián)系，靠的就是神經(jīng)系統(tǒng)中這種叫做原鈣粘蛋白的分子。原鈣粘蛋白基因家族能夠通過組合表達的方式形成神經(jīng)細胞的分子多樣性，即神經(jīng)元“身份證號碼”的多樣性。該“身份證號碼”有助于神經(jīng)細胞識別和區(qū)分彼此，進而在神經(jīng)環(huán)路形成和學(xué)習(xí)記憶等方面起到重要功能。

吳強舉了個例子，原鈣粘蛋白就分布在細胞表面，哪些神經(jīng)細胞之間能夠“鏈接”起來，就看細胞表面的原鈣粘蛋白群組合之間能否“般配”。一方面，原鈣粘蛋白群組合的不同，為神經(jīng)細胞設(shè)了身份密碼；另一方面，它的組合群能夠把般配的兩個神經(jīng)細胞粘著“鏈接”在一起。

目前國際上已經(jīng)能測出神經(jīng)細胞的身份密碼，但是這些密碼的排列規(guī)律仍是個謎，尚沒有研究出一種方法來破解這一身份密碼的形成過程。

神奇“鑰匙”破解密碼

吳強科研團隊之所以能夠破解密碼的形成過程，是因為找到了兩把神奇“鑰匙”――絕緣子結(jié)合蛋白CTCF和染色體粘連蛋白Cohesin。

據(jù)介紹，每個基因至少有一個激發(fā)其活性的“發(fā)動機”，叫“啟動子”，還有一個增強其活性的“加速器”，叫“增強子”。課題組發(fā)現(xiàn)，在一條DNA染色體上，相隔甚遠的“增強子”和“啟動子”之間通過染色體環(huán)化形成轉(zhuǎn)錄中心，控制原鈣原蛋白“啟動子”的選擇，即組成神經(jīng)細胞的“身份證號”。進一步研究發(fā)現(xiàn)，絕緣子結(jié)合蛋白CTCF和染色體粘連蛋白Cohesin起到了不可或缺的關(guān)鍵作用。

“絕緣子結(jié)合蛋白CTCF”這把鑰匙使“增強子”和“啟動子”相互認識，另一把鑰匙“染色體粘連蛋白Cohesin”則使CTCF的“增強子”和“啟動子”聯(lián)結(jié)在一起，形成一個環(huán)。通過這兩把“鑰匙”，“增強子”把不同原鈣粘蛋白基因的“啟動子”吸引過來，形成了一個個環(huán)，環(huán)環(huán)相連，形成了轉(zhuǎn)錄原鈣粘蛋白的轉(zhuǎn)錄中心。

吳強教授稱，不正常的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育會導(dǎo)致大腦功能的異常，也是各種精神疾病的發(fā)病機制之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正常發(fā)育需要每個神經(jīng)細胞建立自己的一套“身份證號碼”，進而使神經(jīng)細胞通過自己的“身份證號碼”進行識別和區(qū)分彼此，從而幫助建立復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但科學(xué)家對這一腦發(fā)育過程的分子機制知之甚少。針對神經(jīng)細胞“身份證號碼”產(chǎn)生原因的研究，有利于揭示一類神經(jīng)精神疾病產(chǎn)生的分子機制。針對神經(jīng)細胞“身份證號碼”的進一步深入研究，將有助于人們對復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成機理的理解，并促進對腦腫瘤、精神分裂癥、自閉癥等大腦疾病發(fā)病機制研究。將來科學(xué)家或許可以通過遺傳操作控制神經(jīng)細胞“身份證號碼”的產(chǎn)生，應(yīng)用于轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)，從而造福于人類健康。（首席記者姜澎）