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推荐阅读：本文通过多组学分析，鉴定出大量突触蛋白，为解析突触结构和功能提供依据。
### 研究背景
突触作为神经元之间的通讯位点，是大脑神经回路的关键组成部分，与多种精神疾病如自闭症谱系障碍（ASD）、精神分裂症和癫痫等的发病机制密切相关。化学性兴奋性突触中已发现多种关键蛋白，如 MAGUK 蛋白支架、AMPA/NMDA 受体等，为理解突触传递奠定了基础。然而，由于突触在不同发育阶段和神经元群体中的动态变化，其分子组成尚未完全明确。此前的研究在人类方面主要集中于成人尸检大脑，对发育中的人类突触研究较少，且不同研究中鉴定出的突触蛋白存在差异。为解决这些问题，研究人员开展了一系列实验，旨在创建更全面的兴奋性谷氨酸能突触图谱。
研究方法
- 蛋白质组学筛选：运用串联质谱技术，对来自成人小鼠皮层和纹状体、人类胎儿大脑以及人类诱导多能干细胞（hiPSC）分化的神经元等多种生物模型的兴奋性谷氨酸能突触进行蛋白质组学分析。在质谱分析前，选择性富集突触后致密区（PSD）部分，以减少假阳性结果。
- 多组学整合与机器学习模型：整理 31 个已有的突触蛋白质组数据集，通过多组学分析，从基因组序列、蛋白质组成、时空表达和生物物理蛋白质相互作用四个方面提取分子特征，训练随机森林机器学习模型，评估蛋白质与已知突触蛋白的相似性，从而确定高可信度的突触蛋白候选物。
- 验证实验：针对筛选出的部分候选蛋白，如 Y 盒结合蛋白 - 1（YBX1）、DEAD-box 解旋酶 3 X 连锁（DDX3X）和 Cullin 3（CUL3），运用免疫染色、高分辨率显微镜、增强型紫外线交联免疫沉淀（eCLIP）、亲和纯化质谱（AP-MS）等实验技术，在细胞和组织水平验证其在突触中的定位、相互作用及功能。
研究结果
- 蛋白质组学筛选结果：在小鼠实验中，从皮层和纹状体分别鉴定出可映射到 2,613 个和 1,397 个基因的肽段，约 1,200 个小鼠突触蛋白在两个筛选中均被鉴定出，且与先前研究结果高度一致。在人类实验中，从胎儿大脑样本中鉴定出 1,226 个基因相关的肽段，从 hiPSC - 衍生的神经元样本中鉴定出 2,997 个基因相关的肽段。其中，约 381 个蛋白似乎是早期突触模型特有的，这些蛋白在早期人类突触中显著富集蛋白酶体、剪接体、mRNA 监测和核质转运等功能，而成熟人类突触中的蛋白则富集与突触相关的经典功能，如长时程增强、谷氨酸能突触等。此外，约 668 个蛋白在人类突触的早期和成熟阶段均存在，且与小鼠突触蛋白高度保守，参与基本的细胞过程。
- 多组学分析与模型验证：通过多组学分析训练的机器学习模型，在识别已知突触蛋白方面表现出较高的预测能力，在测试集中，其受试者工作特征曲线下面积（AUC）为 0.82，在其他参考数据库中的表现也较好（SynSysNet 的 AUC = 0.79，SynDB 的 AUC = 0.78），且对三个数据库中的共识蛋白预测效果更佳（AUC = 0.9）。该模型能有效区分突触蛋白与其他蛋白，其最具预测性的特征包括蛋白质网络邻近性、跨组织表达模式和基因长度等。
- 多组学整合的优势：多组学筛选结果与蛋白质组学筛选相结合，显著提高了突触蛋白鉴定的特异性。在整合后，与突触功能缺陷相关疾病（如 ASD、癫痫、精神分裂症等）相关的蛋白富集倍数大幅增加，而与非突触相关疾病（如神经母细胞瘤、多发性硬化症等）相关的蛋白则无富集。通过这种整合，确定了 1,025 个经组学验证的高可信度突触蛋白（Synaptic Signatures 1000，SynSig - 1000），其中包括 532 个已知突触蛋白和 493 个新的候选蛋白，这些候选蛋白涵盖了多种分子功能，且在核酸结合、蛋白质翻译和蛋白酶体 / 泛素相关功能方面有显著扩展。
- 候选蛋白的深入研究
- YBX1 的研究：YBX1 是一种多功能核酸结合蛋白，此前未被明确映射到突触。研究发现，YBX1 在原代大鼠海马神经元的树突段呈现点状染色模式，与已知突触标记物 DLG4 共定位，表明其是 PSD 的一部分。eCLIP 实验显示，YBX1 主要结合于 7,768 个蛋白质编码基因的编码序列（CDS）和 3′非翻译区（UTRs），其结合的 RNA 靶标显著富集于与突触相关的基因，且与自闭症风险因素相关。
- DDX3X 的研究：DDX3X 是一种 ATP 依赖的解旋酶，与神经发育障碍有关，但其在突触中的定位和相互作用此前未被充分研究。研究表明，DDX3X 在小鼠和人类神经元中均定位于突触，与多种突触蛋白和 ASD 风险因素相互作用。eCLIP 实验发现，DDX3X 与 8,377 个基因的 RNA 相互作用，主要结合于 CDS 区域和 5′ UTRs，其结合的 RNA 靶标也与突触功能和 ASD 风险因素相关。
- CUL3 的研究：CUL3 是一种 E3 泛素连接酶，也是 ASD 的全基因组显著风险因素。研究证实 CUL3 存在于突触亚细胞区室中，与多个突触蛋白和 ASD 风险因素相互作用。通过 AP - MS 和定量蛋白质组学分析，发现 CUL3 突变会导致突触中许多蛋白的表达发生变化，影响突触相关的多个过程，如突触膜、顺向突触信号传导、谷氨酸能突触和神经递质运输等。
研究讨论
- 研究成果意义：本研究通过蛋白质组学和多组学分析，构建了涵盖多种生物功能的突触蛋白资源库 SynSig - 1000，为研究突触的分子组成提供了重要资源。对 YBX1 和 DDX3X 的 RNA 靶标分析，揭示了它们在 mRNA 翻译起始和定位中的潜在不同作用。对 CUL3 和 DDX3X 的蛋白质相互作用研究，发现了它们与 ASD 风险因素的关联，为理解神经发育障碍的发病机制提供了新线索。
- 研究局限性与展望：尽管多组学方法鉴定出的大部分蛋白得到了蛋白质组学筛选的支持，但仍有部分蛋白缺乏实验证据，未来需要通过正交方法进一步验证。本研究中使用的蛋白质相互作用网络具有一定的通用性，未来更广泛的相互作用组图谱可能会提高突触分子的识别准确性。此外，本研究的多组学机器学习策略具有可扩展性，有望为研究复杂的细胞结构（如抑制性突触或活动刺激的突触）提供帮助。
