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生命系统当然是复杂的。从有了生物这门课程开始，生命的单位不断缩小，从单独的有机体到组织和器官，从组织和器官到复杂的细胞网络结构，再到以单个生物分子为单位的相互作用。

为了从整体上了解这种复杂性，我们需要了解单个生物分子的位置和相互作用机制，以此量化细胞和亚细胞组装体的分子异质性，这也是空间组学解决的焦点问题。

全面了解纳米尺度的蛋白质组织，需要解决四个关键问题：灵敏度、通量、空间分辨率和复用能力（即有效地重复使用实验设备、试剂或技术）。虽然现有技术能够提供一定程度的空间解析，但是面对高度多重成像的蛋白质结构，还是有些力不从心。

近日，来自马克斯·普朗克生物化学研究所（MPI）和慕尼黑路德维希马克西米利安大学（LMU）的研究团队，开发了一种超分辨率成像方法（SUM-PAINT），能够以高于15nm的分辨率对蛋白质实现几乎无限的多重分析。这是首个可以快速完成大量蛋白质绘制和可视化的超分辨率显微技术。

使用SUM-PAINT，研究人员绘制了具有30种不同蛋白质的单分子分辨率神经元细胞图谱，并发现了同时具有兴奋和抑制相关蛋白的新型突触。

研究发表在《细胞》杂志上。

DNA-PAINT是利用DNA相互作用的动力学实现高分辨率成像的技术，通过DNA互补配对确定目标蛋白质位置。在DNA-PAINT的基础上，研究人员引入了主条形码和二级标签，主条形码用于标记目标蛋白质，二级标记是含有特定DNA序列的标记物，主条形码和二级标签相互作用实现多重成像，并且二级标记可以在多重成像过程中重复使用，以实现对多个目标蛋白质的同时检测。

此外，在多重成像过程中，为了确保每个目标蛋白质的信号可以被准确分辨，SUM-PAINT引入了信号消光机制，可以有效消除上一个成像信号，确保下一个目标蛋白质的成像准确性。

使用SUM-PAINT构建神经元细胞图谱，单一目标成像需要约17分钟，完成12次多重成像实验（即12种不同目标蛋白质）只需要不到5个小时，完成30次多重成像实验大约需要30小时。与此形成对比的是，DNA-PAINT可能需要超过800个小时（实际上它也做不到）。

根据SUM-PAINT绘制的3D图谱，我们可以详细分析突触中的蛋白质分布。

图上展示了兴奋性突触（左下，VGlut1+）和抑制性突触（右下，Gephyrin+）的放大视图

在结构分析中，我们可以看到结构蛋白为周期性环状排列，环与环之间的距离是190nm。其他神经元结构，比如网格蛋白、乙酰化微管蛋白、神经丝的结构也被可视化。

内吞作用的兴奋性突触示例图

在空间聚类分析中，研究人员发现了一种不同于兴奋性突触和抑制性突触的主要簇，通过对关键蛋白进行颜色编码和视觉检查，发现了一种没见过的突触种类，可以同时表达兴奋性突触相关蛋白（VGlut1）和抑制性突触相关蛋白（Gephyrin）。

混合突触成像

研究人员将这种新型突触定义为“混合”突触，并且也在P50小鼠海马CA1放射层脑切片中发现了这种混合突触。不过，混合突触的丰度较低，在该区域突触中占比仅约为1.3%，这大概也是混合突触之前没有被发现的原因。

通过在分子水平上绘制大量蛋白质位置和相互作用的详细视图，SUM-PAINT为研究神经系统疾病的细节提供了前所未有的机会，有助于更深入地了解疾病的潜在机制。作者团队表示，“SUM-PAINT不仅是分子水平上破译细胞生物学复杂性的里程碑，也是神经退行性疾病新治疗方法的潜在突破”。

参考文献：

Unterauer E M, Boushehri S S, Jevdokimenko K, et al. Spatial proteomics in neurons at single-protein resolution[J]. Cell, 2024, 187(7): 1785-1800. e16.

https://www.biochem.mpg.de/new-synapse-type-discovered-through-spatial-proteomics

本文作者丨王雪宁