2018年2月7日，國際學(xué)術(shù)期刊—美國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會會刊《Journal of Neuroscience》以封面形式報道了中國科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心與生命科學(xué)學(xué)院畢國強(qiáng)、劉北明與周正洪教授合作課題組的研究成果—利用冷凍電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)(cryo-electrontomography,cryoET)與冷凍光電關(guān)聯(lián)顯微成像技術(shù)(cryo- correlative light and electron microscopy, cryoCLEM)解析神經(jīng)突觸超微結(jié)構(gòu)。

　　突觸是大腦行為、意識、學(xué)習(xí)與記憶等功能的最基本結(jié)構(gòu)與功能單元，同時也是多種腦疾病發(fā)生的起源。精確解析突觸的分子組織架構(gòu)，及其在神經(jīng)活動過程中的變化被認(rèn)為是解密大腦奧妙的最直接有效的方法，也是神經(jīng)科學(xué)中最基礎(chǔ)的研究工作之一。早期，生化與分子生物學(xué)、電生理學(xué)等研究發(fā)現(xiàn)了突觸中的各種大量分子和細(xì)胞器組份，并揭示了突觸的各種功能特性和可塑性規(guī)則。然而，由于研究手段的局限，突觸中的這些不同的組件是如何組織成復(fù)雜的機(jī)器來執(zhí)行不同的功能，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有充分觀察和解析。最新發(fā)展的冷凍電鏡技術(shù)(cryoEM)，尤其是cryoET技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對亞細(xì)胞乃至全細(xì)胞在納米水平分辨率的三維成像，為突觸分子組織架構(gòu)的解析提供了契機(jī)。

　　合作課題組利用cryoET結(jié)合自主研發(fā)的冷凍光電關(guān)聯(lián)顯微成像技術(shù)實現(xiàn)了對中樞神經(jīng)系統(tǒng)中兩類最主要突觸-興奮性/抑制性突觸的精確區(qū)分以及結(jié)構(gòu)特征的定量化分析。通過將大鼠的海馬神經(jīng)元培養(yǎng)在冷凍電鏡的特型載網(wǎng)上，隨后進(jìn)行快速冷凍后并直接進(jìn)行CryoET/CryoCLEM成像，課題組獲得了一系列完整突觸在近生理狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)合定量分析手段，首次報道了抑制性突觸的均勻薄片狀突觸后致密區(qū)結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)兩類突觸中均存在橢球狀突觸囊泡，結(jié)束了關(guān)于兩類突觸在突觸囊泡和突觸后致密區(qū)形態(tài)精細(xì)結(jié)構(gòu)上的由來已久的爭論。進(jìn)一步，利用當(dāng)前最先進(jìn)的結(jié)合了Volta相位板、電子能量過濾器和直接探測相機(jī)的冷凍電鏡成像設(shè)備，合作課題組獲得了突觸在分子水平的精細(xì)組織架構(gòu)，實現(xiàn)了在突觸原位直接觀察單個神經(jīng)遞質(zhì)受體蛋白復(fù)合物及其與支架蛋白的相互作用。

　　這是當(dāng)前國際上首次利用冷凍電鏡技術(shù)對完整突觸進(jìn)行系統(tǒng)性定量分析。這一工作，一方面推動了對突觸超微結(jié)構(gòu)與功能這一“黑匣子”的解密，另一方面為突破冷凍電鏡技術(shù)在復(fù)雜細(xì)胞體系中原位解析生物大分子復(fù)合物的組織結(jié)構(gòu)這一技術(shù)挑戰(zhàn)奠定了基礎(chǔ)。

　　圖: 利用CryoET解析離體培養(yǎng)海馬神經(jīng)突觸三維結(jié)構(gòu)的三維可視化渲染(Journal of Neuroscience 2018年2月7號封面)