突触分辨率下小鼠海马转录组与蛋白质组整合图谱揭示神经元区室化分子蓝图

本研究通过结合微解剖技术与荧光激活突触体分选(FASS)，首次在突触分辨率下构建了小鼠海马亚区及CA1分层的整合转录组-蛋白质组图谱。研究人员揭示了数千种空间富集分子（包括受体、通道及黏附分子家族）的分布规律，发现mRNA-蛋白质丰度差异与蛋白半衰期相关，并阐明了远端树突依赖局部翻译的区室化特征。该研究为理解海马功能多样性提供了分子基础，成果发表于《Nature Communications》。

　　

海马体作为大脑记忆与空间导航的核心中枢，其复杂的分子多样性一直是神经科学领域的未解之谜。传统研究多局限于单一组学层面，而mRNA与蛋白质的动态关系受翻译调控、降解速率等多因素影响，使得人们对神经元不同区室（如胞体、树突、突触）的分子特征认知存在空白。更关键的是，海马CA1区各分层（Stratum oriens, pyramidale, radiatum, lacunosum-moleculare）具有独特的输入连接与可塑性，但驱动这种功能特异的分子基础尚不清晰。

为此，Eva Kaulich等团队在《Nature Communications》发表了突破性研究。通过创新性地结合微解剖、荧光激活突触体分选(FASS)和高通量测序技术，首次实现了海马亚区（CA1、CA3、DG）和CA1分层在突触分辨率下的多组学整合分析。研究不仅绘制了空间分子图谱，更揭示了mRNA定位与蛋白质分布的调控规律，为理解神经元功能分区提供了全新视角。

关键技术包括：（1）精确微解剖获取海马亚区及CA1四层组织；（2）利用Syn1-Cre转基因小鼠通过FASS分选高纯度突触体；（3）平行开展RNA-seq与DIA质谱获得>17,000转录本和>10,000蛋白质数据；（4）整合已发表的转译组数据解析局部翻译机制。

主要研究结果

海马亚区的分子特征

通过PCA分析证实CA1、CA3、DG具有显著差异的分子特征。CA1富集突触整合相关分子（如Shank3、Homer2），CA3高表达轴突运输相关蛋白（如Kinesins），而DG则呈现核调控特征（如转录因子Prox1）。这些发现与已知生理功能高度吻合，例如DG的神经发生特性与其Wnt信号通路激活相关。

CA1分层的区室化模式

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  Stratum oriens (SO)：作为基底树突层，富集髓鞘相关蛋白（Mbp、Cnp）和运输分子，反映其包含穿行轴突的特性。

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  Stratum pyramidale (SP)：胞体层显示核过程（如Neurod2）与突触mRNA（如Grin2a）的"转录-翻译解耦联"，印证了蛋白质远程运输机制。

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  Stratum radiatum (SR)：作为CA3输入的主要靶区，富含激酶（Camk2a）和泛素-蛋白酶体系统组分，支持其可塑性调控功能。

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  Stratum lacunosum-moleculare (SLM)：远端顶树突层呈现线粒体蛋白（Mfn1）与代谢通路的特异性富集，适应其高能量需求的突触整合。

mRNA-蛋白质动态关系

研究发现仅38%的基因在SP层呈现mRNA-蛋白质丰度正相关，而SLM层局部翻译特征显著：45%共富集基因的蛋白优先在神经毡（neuropil）翻译。通过整合蛋白半衰期数据，证实短半衰期蛋白（如突触支架蛋白Dlg1）更依赖局部mRNA供应，而核糖体蛋白等长半衰期分子则呈现负相关。

突触分子多样性

PLS-DA分析成功区分不同来源突触体：

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  输入特异性：SLM突触富集丘脑输入相关分子（如Nrxn2），而SR突触高表达CA3输入标志物（如Epha4）。

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  可塑性调控：激酶（Prkcb）和细胞骨架蛋白（Actn1）的层间差异分布可能解释各层LTP（长时程增强）特性的差异。

结论与意义

该研究建立了首个海马突触分辨率的多组学资源（syndive.org），其核心发现包括：（1）揭示了mRNA空间定位与蛋白质分布的动态解耦机制；（2）证实远端树突通过局部翻译维持区室化蛋白组；（3）阐明了突触分子组成与输入通路的对应关系。这些成果不仅为理解阿尔茨海默病（AD）等神经退行性疾病的层特异性脆弱性提供分子线索（如SO层Prnp富集与AD病理相关），也为靶向特定神经环路的干预策略奠定了理论基础。技术层面，研究建立的FASS-多组学整合方法为解析复杂脑区的分子架构提供了范式。