Engineered proteins to restore and enhance neurotransmitter release
本研究设计了新型蛋白质，即 {beta}4-Zn 和 {beta}4-MC，它们通过分别募集 Munc13 或直接介导囊泡融合，成功地在受损及健康的神经元系统中恢复并增强了神经递质的释放，为以突触功能障碍为特征的神经系统疾病提供了具有前景的治疗潜力。
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在大脑内部，通信发生于被称为突触的微小连接处，在那里，神经细胞向彼此传递化学信息。这一过程依赖于位于发送神经细胞末端的一个复杂的分子机器，被称为活性区（active zone）。可以将活性区想象成一个组织严密的装载码头，在这里，被称为囊泡（vesicles）的微小神经递质气泡被准备并定位以待释放。当电信号到达时，这些囊泡会与细胞的外膜融合，并将其中的内容物释放到神经元之间的间隙中。如果这个装载码头发生故障或失灵，信息就无法传递。这种失效是许多神经系统疾病的核心特征，然而修复它已被证明非常困难，因为其中涉及的机器是由许多大型、复杂的蛋白质组成的，难以进行修理或更换。
研究人员长期以来一直在寻求一种绕过这种复杂性的方法，或许可以通过构建一个更简单的、人工版本的装载码头，在天然的码头失效时恢复功能。在一项新的研究中，哈佛医学院的科学家们设计出了这样一种解决方案。他们创造了两种定制蛋白质，旨在介入并重启化学信使的释放，即使在细胞的天然机器已被拆解的情况下也是如此。其中一种工程化蛋白质更进一步，它不仅能恢复功能，实际上还能使信息的释放比以前更强。这项工作表明，对于那些大脑通信线路因过于微弱而无法传递必要信号的情况，存在一条新的治疗路径。
故事始于一种特定的神经细胞，研究人员在这些细胞中特意移除了活性区的关键组件。在这些细胞中，用于准备和释放神经递质的天然机器已经消失，细胞因此无法进行通信。团队首先测试了一种先前开发的蛋白质，他们称之为 β4-Zn。这种蛋白质通过招募一种天然的辅助分子（称为 Munc13）到应该发生释放的部位来发挥作用。在那些仍保留有 Munc13 但缺乏活性区其他部分的细胞中，这种方法效果良好，恢复了释放信息的能力。然而，当研究人员将 Munc13 分子也完全移除后，β4-Zn 蛋白便失效了。它无法独立完成工作，因为它依赖于细胞剩余的部分来运作。
为了解决这个问题，团队决定构建一种不需要从细胞中招募任何东西的蛋白质。相反，他们提取了 Munc13 分子中最关键的功能部分，并将其直接融合到一个引导蛋白质前往神经末端的靶向组件上。这个名为 β4-MC 的新创造物包含了来自 Munc13 的两个特定区域：一个负责组装融合囊泡的分子夹具的区域，以及一个帮助将整个结构锚定到细胞膜上的区域。当研究人员将 β4-MC 引入那些被彻底剥离了活性区机器的细胞中时，它奏效了。该蛋白质成功地对囊泡进行了停靠，准备好释放，并允许神经细胞再次发出化学信号，从而利用一个单一且紧凑的工具，从零开始重建了装载码头。
研究人员随后通过测试禁用其不同部分会发生什么，来调查这种新蛋白质的具体工作原理。他们发现，β4-MC 蛋白质的这两个部分对于实际释放化学信息都是至关重要的。如果关闭负责组装融合夹具的部分，囊泡就无法释放其内容物；如果关闭将蛋白质锚定到膜上的部分，囊泡甚至无法靠近边缘进行释放。有趣的是，他们发现锚定部分也被需要用来将囊泡固定在原位，但融合部分并不需要用于仅仅维持其位置。这表明，将囊泡固定在原位和准备使其融合是两个可以被分别控制的截然不同的过程。
除了修复受损细胞外，团队还询问了这些工程化蛋白质是否可以改善已经在正常工作的健康细胞中的通信。在正常的鼠类神经元和由干细胞培养的人类神经元中，β4-MC 蛋白质不仅恢复了功能，还增强了功能。含有该蛋白质的细胞释放了更多的神经递质，并且释放得更加可靠。研究人员观察到，该蛋白质增加了信号触发释放的可能性，使突触变得更加敏感和高效。相比之下，早期的版本 β4-Zn 对健康细胞没有影响，这证实了新设计具有独特的优势，即它能主动提升性能，而非仅仅是修复损伤。
为了观察这种方法是否能在活体动物中发挥作用，研究人员转向了大脑的多巴胺系统，该系统对于运动和动力至关重要，且已知在帕金森病中会出现功能衰竭。他们使用一种病毒将工程化蛋白质直接递送到小鼠的大脑中。在那些多巴胺神经元的天然活性区蛋白被移除的小鼠中，β4-Zn 蛋白成功恢复了多巴胺的释放，使其水平恢复到接近正常的状态。在健康的鼠类中，β4-MC 蛋白质增加了刺激期间多巴胺的释放量。这证明了这些工程化蛋白质可以在复杂的活体大脑环境中发挥作用，针对特定的神经细胞并改善其输出，而不会干扰系统的其余部分。
研究结论指出，这些工程化蛋白质是既能修复又能强化大脑通信网络的通用工具。通过将复杂分子机器的核心功能浓缩为紧凑、自给自足的单元，研究人员创造了一种绕过细胞原始、脆弱装配线的手段。虽然这项工作仍处于早期阶段，但它提供了一个具体的概念验证，即突触功能可以通过精确的蛋白质工程得以恢复和增强。这种方法未来可能通过直接提升维持大脑回路运转的信号强度，为治疗神经系统疾病提供途径，为那些天然机器已经磨损或损坏的情况带来希望。
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