转录因子控制细胞表面蛋白“组合编码”

细胞核内的转录因子是决定细胞命运、形态、和生理功能的中心指挥者，而在细胞膜表面的蛋白则通过与细胞环境的相互作用来执行这些指令。“转录因子→细胞表面蛋白→生理功能”的框架被认为存在于一切涉及细胞与环境交流的生物学过程中。例如在发育的神经元中，科学家们常常假设转录因子通过调节细胞表面蛋白的表达，来控制神经元之间连接，形成特定的神经环路。

2022年5月24日，来自美国斯坦福大学与霍华德休斯医学研究所的知名学者骆利群教授，带领团队在Neuron期刊上发表研究论文，用一个定义谱系的转录因子Acj6为例子，展示了转录因子如何“四两拨千斤”，通过调节不同组合的表面蛋白的表达，控制不同神经元类型的连接。骆利群实验室的博士生谢琦婧和李介夫博士为本文的共同***作者。

早在2003年，骆利群教授团队发现转录因子Acj6特异性表达在果蝇嗅觉系统投射神经元 （projection neuron，PN）的一个谱系（lineage）中，并控制这些神经元特异性的树突靶向。不过，当时由于缺少直接测量特定细胞群体表面蛋白表达的方法，无法进一步知道Acj6以及其他转录因子如何通过细胞表面的蛋白质控制神经连接的特异性。

直到2020年，骆利群教授、本文的共同***作者李介夫博士与合作者发展了一种高时空分辨率的蛋白组学技术，在方法上实现了突破。这种技术使得研究人员可以直接在完整果蝇大脑内对指定细胞类型的表面蛋白组进行高精度的生物素标记、富集和分析，也为系统地研究转录因子如何在多细胞生物的完整组织中塑造细胞表面蛋白质组提供了可能。

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在此次新研究中，研究人员运用这种蛋白组学技术，首先找到了转录因子Acj6调节哪些细胞表面蛋白来执行它的命令。他们分别在野生态和acj6功能丧失突变体中，对投射神经元进行了表面蛋白组的定量分析，然后基于蛋白组学的数据进行体内筛选，由此揭示了许多执行Acj6连接指示的分子。

这些表面蛋白有一些正如作者的猜测，属于细胞粘附分子，但还有一些则令人意外。比如，机械敏感离子通道Piezo。这种蛋白传统上被认为只介导神经元功能，但他们发现，失去机械敏感离子通道活性的Piezo突变体可以与野生型Piezo一样精准调控PN树突靶向。“这个结果***展示了Piezo独立于机械感觉离子通道的功能。”作者指出。 

▲在PN中敲除Piezo导致树突错误的靶向（白色箭头）

接下来，为了建立转录因子Acj6与其调控的表面蛋白在树突靶向中的功能性联系，研究人员在表达Acj6的投射神经元中特异性地敲除了acj6，同时又在这些神经元中特异性地表达了Acj6促进表达的表面蛋白。

实验结果表明，在不同神经元类型中，Acj6通过调控不同组合的表面蛋白表达来指定这类神经元特异的靶向。

“在不同神经元中，一个转录因子是通过调节相同、还是不同的细胞表面蛋白以指定它们的特异连接，这个问题过去并不清楚。”研究人员指出，“发育神经生物学长期存在一种假设，认为神经连接的特异性可能是由表面蛋白组合编码（combinatorial code）控制，现在我们***为这一假设提供了实验证据，展示了表面蛋白间的遗传相互作用模式（加法、减法和协同）。”

▲Acj6在不同神经元类型中通过调控不同表面蛋白（cell-surface executor）的表达来控制神经连接特异性

正如科学家们在论文中提及的那样，这篇文章为未来研究转录因子功能与机理提出了一个新的策略和方法的原型。

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大脑中各种化学分子就充当着调控信号的角色。***近，《细胞报告》的新研究又找到了两种参与大脑信号调控的蛋白RIM1和SRPK2，它们主要负责控制突触部位的信号传递。

突触作为一个信号中转站，有的信号在抵达时就能够往下游传输，有的信号则积累到一定程度才会传递。根据新研究，具体哪些信号需要释放，哪些需要等待，就依赖RIM1来完成。

其中关键的是突触中许多充满神经递质的突触小泡，这些小泡会在突触一侧等待，当接收到合适信号时它们才会被释放。“这些突触小泡释放的数量，以及受体对其作出的反应都是严格控制的，”德国波恩大学的神经科学家Schoch McGovern博士表示。

McGovern博士和同事曾在果蝇中发现，RIM1在这一过程中会比较活跃。不过，更加***的生物是否会有更复杂的调控机制仍然不清楚。为此，他和同事将这一研究扩展到了小鼠层面。

▲SPRK2会修饰RIM蛋白来影响突触信号传递过程

在新研究的分析中，他们发现突触小泡释放过程中，名为SRPK2的酶会不断地往RIM1的一些氨基酸上添加磷酸基团，而与此对应的，特定氨基酸的磷酸化则会提升突触小泡的释放数量。

“究竟是增加还是减少突触小泡的数量，就要看是哪些氨基酸被磷酸化了，” McGovern博士解释道。他们还不清楚被磷酸化的RIM1在执行功能之后会怎么处理，有可能还有其他的酶会对其进行修饰，完成后续调控工作。

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