【学术快报】李毓龙实验室在eLife发文报道定位于突触小泡的新型转运体

近日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、生命科学学院李毓龙实验室在eLife杂志在线发表了题为“Localization, proteomics, and metabolite profiling reveal a putative vesicular transporter for UDP-glucose”的研究论文，通过大规模筛选对可能定位于突触小泡的转运体进行了研究，并发现其中定位于突触小泡的SLC35D3为UDP-葡萄糖转运体。

在神经系统中，化学突触传递依赖于突触小泡中储存的特定神经递质及其在神经细胞活动时的释放。突触小泡定位的神经递质转运体介导了小分子神经递质在突触小泡上的摄取和富集[1]，进而决定了神经元输出的信号类型：如兴奋性的谷氨酸能信号、抑制性的GABA能信号等。因此，了解这类转运体对理解神经系统的生理功能和病理发生都具有重要意义。多年以来只有少数定位于突触小泡的神经递质转运体被报道，是否存在新型的神经递质转运体仍然未被系统性地研究和回答过。

目前已知定位于突触小泡的神经递质转运体均属于溶质转运体（Solute Carrier，SLC）家族，且该家族约450个成员中超过半数仍然缺乏深入研究 [2]。基于此，李毓龙实验室对该家族中的361个成员进行了神经元中的亚细胞定位分析。以已知突触小泡定位的神经递质转运体为筛选标准，发现40个候选转运体能够定位于突触小泡。为确认这些转运体是否存在于内源突触小泡，该实验室对亲和纯化的内源突触小泡进行蛋白质组学分析，发现上述候选转运体中有7个可在内源突触小泡中检测到，其中包括SLC35家族的部分孤儿转运体如SLC35D3。进一步电镜实验确认SLC35D3可定位于突触小泡（图1）。

图1 荧光成像与电镜成像显示SLC35D3转运体可定位于突触小泡

(A) Top: 荧光成像筛选突触小泡定位的SLC转运体示意图。Bottom：SLC35D3与突触小泡特异蛋白SYP共定位。比例尺：10 μm。(B) Top: 电镜探究SLC转运体亚细胞定位示意图。Bottom：SLC35D3-APEX2电镜成像。红色箭头：转染SLC35D3-APEX2电镜标签的神经元中突触小泡。蓝色箭头：未被转染的神经元中突触小泡。比例尺：500 nm。

 为了探索孤儿转运体SLC35D3可能的底物，实验室成员通过靶向代谢小分子的分析方法寻找过表达SLC35D3的囊泡中被富集的代谢小分子。由于已知的SLC35家族成员普遍转运核苷酸-糖类小分子，因此SLC35D3的底物有可能具有类似化学结构。靶向该类分子的检测发现，过表达SLC35D3的囊泡中UDP-葡萄糖的含量显著增加。放射性同位素小分子摄取实验证实SLC35D3可以特异性地转运UDP-葡萄糖。

图2 突触小泡定位的UDP-葡萄糖转运体示意图

 有趣的是，前人对于G蛋白偶联受体的研究发现P2Y14受体可被UDP-葡萄糖激活 [3]，这进一步提示UDP-葡萄糖有可能作为新型胞外信号分子发挥作用。综上所述，对突触小泡定位的新型转运体及其底物的探索有助于更好地理解神经元信息传递的分子机制。该研究也充分体现了学科交叉在神经生物学研究中的应用。

输

北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、生命科学学院李毓龙教授为文章的通讯作者，PTN项目博士生钱城为本文的第一作者。北京大学博士武照伐、孙荣浡、余华晟、曾健智对文章做出了重要贡献。麦戈文脑科学研究所饶毅研究员对该课题研究提供了指导和帮助。该研究受到北大-清华生命科学联合中心、膜生物学国家重点实验室、北京市科委等科研项目支持。

研究组介绍

李毓龙

北京大学麦戈文脑科学研究所PI

北京大学生命科学学院教授

北大-清华生命科学联合中心PI

实验室研究领域：

人的大脑由数十亿的神经元组成，后者又通过数万亿的突触组成复杂的神经网络。不同种类的神经元经过或远或近的投射，通过突触与其他神经元进行信息交流，实现感知觉、决策和运动等高级神经功能。

研究大脑的最大挑战在于脑的高度复杂性。我们实验室集中在神经元通讯的基本结构突触上，从两个层面上开展研究：一是开发前沿的工具，即开发新型成像探针，用于在时间和空间尺度上解析神经系统的复杂功能；二是借助先进的工具探究突触传递的调节机制，特别是在生理及病理条件下对神经递质释放的调节。

具体而言，对于工具开发，我们集中于：

1、结合光遗传学和荧光成像，无损伤性的研究神经元之间的电突触连接。电突触的异常可导致耳聋、癫痫、脑部肿瘤和心脏功能异常等疾病。

2、开发可遗传编码的检测神经递质/调质的荧光探针。神经递质/调质是神经元化学突触传递的关键介导分子，与感知、学习和记忆以及情绪密切相关。　

利用上述荧光探针，我们的功能性和生理性的研究集中于：

1、结合生物信息学、分析化学、生物化学、生理学和成像学方法，系统地探索和鉴定潜在的新型小分子神经递质。

2、研究神经元中重要的分泌性囊泡“高密度核心囊泡”的蛋白质组学，分析囊泡内的神经肽组成。这些神经肽对于调节食物摄取、侵犯性行为和生物节律有重要的调节作用。

3、寻找上述新型化学递质/调质小分子的对应受体，即寻找“孤儿”受体的配体。

4、结合双光子成像和可遗传编码的荧光探针，使用果蝇和小鼠作为模式生物，研究嗅觉传导或睡眠过程中脑的工作机制。

Reference

[1] Blakely, R.D., and Edwards, R.H. (2012). Vesicular and Plasma Membrane Transporters for Neurotransmitters. Csh Perspect Biol 4.

[2] Cesar-Razquin, A., Snijder, B., Frappier-Brinton, T., Isserlin, R., Gyimesi, G., Bai, X.Y., Reithmeier, R.A., Hepworth, D., Hediger, M.A., Edwards, A.M., et al. (2015). A Call for Systematic Research on Solute Carriers. Cell 162, 478-487.

[3] Chambers, J.K., Macdonald, L.E., Sarau, H.M., Ames, R.S., Freeman, K., Foley, J.J., Zhu, Y., McLaughlin, M.M., Murdock, P., McMillan, L., et al. (2000). A G protein-coupled receptor for UDP-glucose. Journal of Biological Chemistry 275, 10767-10771.

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北京大学IDG麦戈文脑科学研究所

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