摘要：大腦發(fā)育由一系列協(xié)調(diào)的步驟組成，這些步驟主要由我們的基因指導(dǎo)。在這些步驟中，大腦中神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)的正確定位和功能是至關(guān)重要的。
圖1 在大腦發(fā)育過程中，缺少某些氨基酸的神經(jīng)元會(huì)在出生后對(duì)小鼠產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
大腦發(fā)育由一系列協(xié)調(diào)的步驟組成，這些步驟主要由我們的基因指導(dǎo)。在這些步驟中，大腦中神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)的正確定位和功能是至關(guān)重要的——無功能或定位錯(cuò)誤的神經(jīng)元會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)病理后果。協(xié)調(diào)這一程序的基因突變通常與神經(jīng)發(fā)育障礙有關(guān);然而，諸如營養(yǎng)缺乏或營養(yǎng)不良等環(huán)境壓力因素也會(huì)影響大腦的發(fā)育。然而，人們對(duì)特定營養(yǎng)物質(zhì)的重要性以及新陳代謝在大腦發(fā)育過程中的作用知之甚少。
Gaia Novarino教授和她在ISTA的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)闡明了這個(gè)大腦之謎。在與維也納幾所大學(xué)的合作中，科學(xué)家們描繪了小鼠大腦的營養(yǎng)程序。他們發(fā)現(xiàn)一組氨基酸——蛋白質(zhì)的組成部分——在大腦發(fā)育的某些階段起著關(guān)鍵作用。缺乏這些氨基酸的神經(jīng)細(xì)胞在出生后會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的影響。小鼠出現(xiàn)了小頭癥——大腦體積縮小——并持續(xù)到成年期，最終導(dǎo)致長期的行為變化，類似于在自閉癥譜系障礙(ASD)中觀察到的變化。研究結(jié)果發(fā)表在今天的《Cell》雜志上。
圖2 中性氨基酸水平調(diào)節(jié)圍產(chǎn)期神經(jīng)元的興奮性和存活率
跟蹤營養(yǎng)
代謝物是我們分解食物時(shí)產(chǎn)生或使用的物質(zhì)，從而為我們的身體提供能量。其中一組代謝物——大型中性氨基酸(LNAAs)引起了科學(xué)家們的注意。LNAAs是人體不能自行合成的必需氨基酸，必須通過食物攝取。
“通過檢查大腦發(fā)育過程中代謝物的水平，它們似乎對(duì)出生后的神經(jīng)發(fā)育時(shí)期特別重要，”第一作者、博士生Lisa Knaus解釋說。此前，諾瓦里諾研究小組發(fā)現(xiàn)了一種新型的自閉癥，由于SLC7A5基因的遺傳缺陷，患者無法將LNAAs轉(zhuǎn)移到大腦中。這種可能的聯(lián)系激發(fā)了這位年輕科學(xué)家的探究精神。“我們對(duì)氨基酸在大腦發(fā)育中的作用非常感興趣。”
圖3 利用代謝圖譜，科學(xué)家們?cè)u(píng)估了小鼠大腦發(fā)育過程中大腦皮層代謝物組成的變化。在小鼠和人類中，SLC7A5基因的突變導(dǎo)致出生后大腦體積減小和后來的行為改變。
饑餓導(dǎo)致大腦變小
研究人員進(jìn)行了一種有條件的敲除實(shí)驗(yàn)，這種方法是在特定的小鼠細(xì)胞中刪除特定的基因，從而產(chǎn)生突變小鼠品系。然后將這些菌株與健康的小鼠進(jìn)行比較，使科學(xué)家能夠評(píng)估耗盡是否會(huì)導(dǎo)致特征特征的變化。在這種情況下，研究小組刪除了Slc7a5基因，該基因攜帶著構(gòu)建將LNAAs帶入神經(jīng)細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)體的指令。換句話說:神經(jīng)元缺乏必需氨基酸。在胚胎階段，大腦的形成似乎很好。然而，在出生后，神經(jīng)細(xì)胞開始受到低水平LNAAs的影響。在此期間，與健康小鼠相比，突變小鼠由于大腦皮層(大腦的外層)厚度減少而出現(xiàn)小頭畸形。
圖4 與健康小鼠(左)相比，缺乏LNAAs的小鼠(右)皮層上層厚度減少。
神經(jīng)元死亡
為了了解更多，科學(xué)家們采用了一種方法來標(biāo)記和操作單個(gè)神經(jīng)元。他們發(fā)現(xiàn)，在出生后的最初幾天里，大腦皮層上層的大部分神經(jīng)元消失了。細(xì)胞正在死亡——但為什么呢?事實(shí)證明，缺乏LNAAs的神經(jīng)元不那么活躍。“出生后不久，不能正常放電的神經(jīng)元就會(huì)被淘汰。這就像自然選擇，只有最適合的細(xì)胞才能生存。”
行為的長期變化
關(guān)鍵時(shí)期后神經(jīng)元死亡和活動(dòng)率恢復(fù)正常。然而，大腦的小尺寸一直持續(xù)到成年。突變小鼠開始表現(xiàn)出一些行為異常，包括運(yùn)動(dòng)缺陷、社交缺陷和多動(dòng)癥。雖然不是一個(gè)完整的代表，但這些行為模式與SLC7A5基因突變患者的行為模式非常相似，后者也表現(xiàn)出小頭畸形、自閉癥和運(yùn)動(dòng)缺陷。
Knaus總結(jié)道:“我們的工作詳細(xì)地展示了新陳代謝和營養(yǎng)可用性的微小變化如何對(duì)大腦發(fā)育和功能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。”
參考資料：
[1] Large neutral amino acid levels tune perinatal neuronal excitability and survival
摘要：大腦發(fā)育由一系列協(xié)調(diào)的步驟組成，這些步驟主要由我們的基因指導(dǎo)。在這些步驟中，大腦中神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)的正確定位和功能是至關(guān)重要的。
圖1 在大腦發(fā)育過程中，缺少某些氨基酸的神經(jīng)元會(huì)在出生后對(duì)小鼠產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
大腦發(fā)育由一系列協(xié)調(diào)的步驟組成，這些步驟主要由我們的基因指導(dǎo)。在這些步驟中，大腦中神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)的正確定位和功能是至關(guān)重要的——無功能或定位錯(cuò)誤的神經(jīng)元會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)病理后果。協(xié)調(diào)這一程序的基因突變通常與神經(jīng)發(fā)育障礙有關(guān);然而，諸如營養(yǎng)缺乏或營養(yǎng)不良等環(huán)境壓力因素也會(huì)影響大腦的發(fā)育。然而，人們對(duì)特定營養(yǎng)物質(zhì)的重要性以及新陳代謝在大腦發(fā)育過程中的作用知之甚少。
Gaia Novarino教授和她在ISTA的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)闡明了這個(gè)大腦之謎。在與維也納幾所大學(xué)的合作中，科學(xué)家們描繪了小鼠大腦的營養(yǎng)程序。他們發(fā)現(xiàn)一組氨基酸——蛋白質(zhì)的組成部分——在大腦發(fā)育的某些階段起著關(guān)鍵作用。缺乏這些氨基酸的神經(jīng)細(xì)胞在出生后會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的影響。小鼠出現(xiàn)了小頭癥——大腦體積縮小——并持續(xù)到成年期，最終導(dǎo)致長期的行為變化，類似于在自閉癥譜系障礙(ASD)中觀察到的變化。研究結(jié)果發(fā)表在今天的《Cell》雜志上。
圖2 中性氨基酸水平調(diào)節(jié)圍產(chǎn)期神經(jīng)元的興奮性和存活率
跟蹤營養(yǎng)
代謝物是我們分解食物時(shí)產(chǎn)生或使用的物質(zhì)，從而為我們的身體提供能量。其中一組代謝物——大型中性氨基酸(LNAAs)引起了科學(xué)家們的注意。LNAAs是人體不能自行合成的必需氨基酸，必須通過食物攝取。
“通過檢查大腦發(fā)育過程中代謝物的水平，它們似乎對(duì)出生后的神經(jīng)發(fā)育時(shí)期特別重要，”第一作者、博士生Lisa Knaus解釋說。此前，諾瓦里諾研究小組發(fā)現(xiàn)了一種新型的自閉癥，由于SLC7A5基因的遺傳缺陷，患者無法將LNAAs轉(zhuǎn)移到大腦中。這種可能的聯(lián)系激發(fā)了這位年輕科學(xué)家的探究精神。“我們對(duì)氨基酸在大腦發(fā)育中的作用非常感興趣。”
圖3 利用代謝圖譜，科學(xué)家們?cè)u(píng)估了小鼠大腦發(fā)育過程中大腦皮層代謝物組成的變化。在小鼠和人類中，SLC7A5基因的突變導(dǎo)致出生后大腦體積減小和后來的行為改變。
饑餓導(dǎo)致大腦變小
研究人員進(jìn)行了一種有條件的敲除實(shí)驗(yàn)，這種方法是在特定的小鼠細(xì)胞中刪除特定的基因，從而產(chǎn)生突變小鼠品系。然后將這些菌株與健康的小鼠進(jìn)行比較，使科學(xué)家能夠評(píng)估耗盡是否會(huì)導(dǎo)致特征特征的變化。在這種情況下，研究小組刪除了Slc7a5基因，該基因攜帶著構(gòu)建將LNAAs帶入神經(jīng)細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)體的指令。換句話說:神經(jīng)元缺乏必需氨基酸。在胚胎階段，大腦的形成似乎很好。然而，在出生后，神經(jīng)細(xì)胞開始受到低水平LNAAs的影響。在此期間，與健康小鼠相比，突變小鼠由于大腦皮層(大腦的外層)厚度減少而出現(xiàn)小頭畸形。
圖4 與健康小鼠(左)相比，缺乏LNAAs的小鼠(右)皮層上層厚度減少。
神經(jīng)元死亡
為了了解更多，科學(xué)家們采用了一種方法來標(biāo)記和操作單個(gè)神經(jīng)元。他們發(fā)現(xiàn)，在出生后的最初幾天里，大腦皮層上層的大部分神經(jīng)元消失了。細(xì)胞正在死亡——但為什么呢?事實(shí)證明，缺乏LNAAs的神經(jīng)元不那么活躍。“出生后不久，不能正常放電的神經(jīng)元就會(huì)被淘汰。這就像自然選擇，只有最適合的細(xì)胞才能生存。”
行為的長期變化
關(guān)鍵時(shí)期后神經(jīng)元死亡和活動(dòng)率恢復(fù)正常。然而，大腦的小尺寸一直持續(xù)到成年。突變小鼠開始表現(xiàn)出一些行為異常，包括運(yùn)動(dòng)缺陷、社交缺陷和多動(dòng)癥。雖然不是一個(gè)完整的代表，但這些行為模式與SLC7A5基因突變患者的行為模式非常相似，后者也表現(xiàn)出小頭畸形、自閉癥和運(yùn)動(dòng)缺陷。
Knaus總結(jié)道:“我們的工作詳細(xì)地展示了新陳代謝和營養(yǎng)可用性的微小變化如何對(duì)大腦發(fā)育和功能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。”
參考資料：
[1] Large neutral amino acid levels tune perinatal neuronal excitability and survival
