节约能源是“潮流”，甚至连神经元也加入进来

神经细胞有惊人的策略来节省能量，同时仍然执行最重要的任务。来自波恩大学医院（UKB）和波恩大学以及大学医学中心哥根廷的研究人员发现，神经元能量守恒程序决定了信使RNA （mRNA）和蛋白质的位置和数量，并根据各自分子的长度、寿命和其他特性而有所不同。这项研究现已发表在《自然通讯》杂志上。

　　

神经细胞有惊人的策略来节省能量，同时仍然执行最重要的任务。来自波恩大学医院（UKB）和波恩大学以及大学医学中心哥根廷的研究人员发现，神经元能量守恒程序决定了信使RNA （mRNA）和蛋白质的位置和数量，并根据各自分子的长度、寿命和其他特性而有所不同。这项研究现已发表在《Nature Communications》杂志上。

近年来，我们都感受到了节约能源的必要性。为了做到这一点，我们都必须想出节约能源的策略，同时还能满足我们最重要的需求。“我们的神经细胞也面临着类似的困境：它们必须提供它们的突触，即它们与其他神经元的接触点，但也要组织它们的蛋白质合成，使它们不会产生过多或过少的蛋白质。与此同时，它们必须将蛋白质长距离运输到突触，并注意它们的能量预算。他们是怎么做到的？”UKB实验癫痫学和认知研究所的研究小组组长、通讯作者Tatjana Tchumatchenko教授领导的研究小组问道。

节能措施解释了蛋白质的分布

尽管大脑的体积相对较小，但它消耗了人体总能量的20%左右。与所有细胞一样，神经元的功能受到严格的能量限制，由于其高能量需求，这在大脑中尤为明显。研究小组能够证明，所有神经元分子的合成和降解代表了特别高的细胞能量消耗，因此需要节能措施。包括神经元在内的所有细胞都需要蛋白质才能正常运作。这些是通过一个被称为基因表达的过程产生的，在这个过程中，相关信息从基因复制到信使RNA （mRNA）中。成熟的mRNA随后被翻译成所需的蛋白质。由于生物化学和显微镜技术的进步，现在有可能精确地绘制细胞中单个mRNA拷贝和相应蛋白质的位置，并量化数千种mRNA和蛋白质的数量。这使研究人员第一次能够研究控制空间基因表达模式的复杂组织原理，并应用于所有类型的分子。

研究小组结合了十多个大规模mRNA和蛋白质组学筛选的实验数据，涉及数万个分子物种。“我们发现，保存能量的驱动力决定了mRNA和蛋白质的数量和位置，根据分子的长度、寿命和其他特性，对每个分子物种的影响不同，”第一作者Cornelius Bergmann解释说，他是波恩大学实验癫痫学和认知研究所的博士生。

结果表明，分子的合成、运输和降解的能量成本，它们的空间定位和总数限制在节能解决方案上。Tchumatchenko教授补充说：“如果某些短寿命蛋白质在细胞体中合成，由于长时间的旅行，它们中的很大一部分不会活着到达突触。这将是对无法完成任务的蛋白质的能量浪费。”

本研究中的模型计算表明，如果从细胞体到突触的“途中”能量损失大于将mRNA运输到树突所需的能量，则蛋白质最好在神经细胞的分支、锥形延伸处（即所谓的树突）合成。

基因表达研究的新视角

然而，研究小组的发现不仅仅是节能。“我们的研究结果揭示了细胞中基因表达的组织原则，这些组织原则跨越了不同的分子物种，超越了个体调节机制，”合著者Silvio Rizzoli教授说，他是大学医学中心哥根廷神经和感觉生理学系主任，神经退行性疾病生物结构成像中心（BIN）的发言人，也是“多尺度生物成像”卓越集群：从分子机器到可兴奋细胞网络（MBExC）”的成员。

对研究小组来说，最令人惊讶的结果是蛋白质的物理性质，如长度或寿命，而不是它们的特定功能，对能量收支有如此大的影响，从而对它们的合成地点有如此大的影响。共同作者Kanaan Mousaei是英国波恩大学实验癫痫学和认知研究所的博士生，他强调说：“我们的模型为关联来自不同实验室的数十个现有数据集提供了一个新的视角。”