神经元通过使用不同蛋白组合建立突触连接，这在一定程度上定义了突触的特异性、功能及可塑性，为学习和记忆提供分子基础【1】。越来越多的研究证据表明，突触在结构和功能上有着非常强的多样性【2】，其中突触结构组成如突触小泡已有相关研究，然而，突触蛋白质组的多样性还不为人知【3,4】。
近日，来自德国马克斯-普朗克研究所的Erin M. Schuman团队在Cell上发表了题为The proteomic landscape of synaptic diversity across brain regions and cell types的文章，作者从7个小鼠品系、5个不同的脑区中分离得到了18种不同突触类型的蛋白组，发现大约1,800种突触类型特异富集的蛋白，作者鉴定了共享的突触蛋白模块并找到了突触特化的蛋白热点，为整合蛋白信息，分析细胞内环路相关的突触亚型提供了分子级别的系统分析。
作者首先设计了一套简化的工作流程，用于不同脑区、不同细胞类型的突触蛋白质组定量。具体而言，在不同小鼠中用Cre系统诱导荧光标记的突触前蛋白表达 (SypTOM) ，以靶向不同细胞类型的不同神经递质，用荧光激活的突触体分选纯化得到突触小体，再经过质谱仪对蛋白质进行定量（图1）。随后，作者在Gad2-cre (抑制性皮层) 和Camk2a-cre (兴奋性皮层) 品系与SypTOM小鼠杂交的品系中进行了测试，并对荧光分选的圈门策略进行了调整，最终分选得到的突触体中，分别有65%和50%是有对应的兴奋性（抑制性）突触后marker，这一流程能够识别小数目突触体中的突触蛋白。
接下来，作者将上述流程应用至5个不同脑区（大脑皮层、海马、纹状体、嗅球、小脑），15种不同的主要突触亚型的蛋白组多样性研究中。作者纳入了四种Cre小鼠模型（包括Camk2a-cre，Gad2-cre，Syn1-cre和Dat-cre）以及对照试验，共定量了超过2,800群体，这些突触蛋白表现出细胞类型和脑区的特异性，其中细胞类型的影响更大。作者定义出了15类突触蛋白组的超过10,000种蛋白，其中超过1,800种单独的蛋白群体在至少一类突触蛋白亚类中富集。在比较了质谱数据和脑片的免疫荧光数据后，作者验证了突触蛋白组的特异性，并将这些数据整合成了网页工具 (The Synaptic Diversity Hub, https://syndive.org/)，可供用户探索分析。
产生的数据集中除了包含80% SynGO已注释的蛋白质，还有超过1,000种新的突触富集的蛋白群体，涉及许多疾病相关通路和细胞功能。进一步地，作者分别鉴定了不同突触类型共享和特异的蛋白模块，构建了不同细胞类型和脑区的突触蛋白-蛋白互作网络。基于此，作者识别了谷氨酸能和GABA能突触蛋白组的关键蛋白，找到了特异富集的途径和生物功能。更为兴奋地是，作者发现它们可以利用这种方法来区分特定突触蛋白的来源（包括区域和细胞类型），细胞类型的发育起源也会在突触蛋白组中有所反映。文章鉴定出了约600个定义了皮质中间神经元突触蛋白组的特异蛋白，并将其分为三大类，找到了其中与功能建立有关的组分。
综上，文章对小鼠不同脑区和细胞类型进行系统分析，揭示了突触蛋白组的多样性及其架构，列出了1,800个独特的突触富集蛋白，鉴定出了18种不同突触类型，找到了其共享的突触模块以及特化的蛋白组热点，这对理解突触功能意义重大。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.09.028
1. Magee, J.C., and Grienberger, C. (2020). Synaptic plasticity forms and functions. Annu. Rev. Neurosci. 43, 95–117.
2. O’Rourke, N.A., Weiler, N.C., Micheva, K.D., and Smith, S.J. (2012). Deep molecular diversity of mammalian synapses: why it matters and how to measure it. Nat. Rev. Neurosci. 13, 365–379.
3. Koopmans, F., van Nierop, P., Andres-Alonso, M., Byrnes, A., Cijsouw, T., Coba, M.P., Cornelisse, L.N., Farrell, R.J., Goldschmidt, H.L., Howrigan, D.P., et al. (2019). Syngo: an evidence-based, expert-curated knowledge base for the synapse. Neuron 103, 217–234.e4.
4. Schreiner, D., Savas, J.N., Herzog, E., Brose, N., and de Wit, J. (2017). Synapse biology in the ‘‘circuit-age’’—paths toward molecular connectomics. Curr. Opin. Neurobiol. 42, 102–110.
