β-G spectrin的显性基因突变破坏致密核心囊泡的分泌

β-spectrin是细胞膜骨架的重要组成蛋白,其主要分布于质膜的基底部位.在线虫中只有一个编码β-spectrin亚基(β-G)的基因即unc-70.除了稳定质膜,使细胞产生极性等功能外,有报道称它还参与细胞分泌的调节过程.研究发现,在线虫中β-G spectrin的显性基因突变体unc-70(n493)会导致DCVs的分泌缺陷.在活体下,unc-70(n493)突变虫系的神经多肽分泌显著下降.此外,在主要分泌致密核心囊泡的ALA神经元内,钙光解释放促发的快相分泌也比野生型减少.运用TIRFM成像技术,观察在unc-70缺失的情况下ALA神经元内DCVs的锚定过程,结果显示质膜附近囊泡的密度没有显著变化,但囊泡在细胞膜附近停留的时程变短,表明囊泡锚定受到阻碍.为了验证unc-70是否还同时参与调控突触囊泡的分泌过程,运用电生理记录活体线虫神经肌肉接头的方法,发现自发的突触后电流mEPSCs没有明显变化.上述试验结果表明,β-G spectrin的显性基因突变虫系能够影响致密核心囊泡的分泌过程,其机制可能是影响了囊泡的锚定过程.     

ESYT-2 在致密核心囊泡分泌中起到的作用

目的:研究秀丽隐杆线虫(简称线虫)中一种扩展的Synaptotagmin同源物ESYT-2在致密核心囊泡分泌过程中起到的作用。方法:以线虫为研究对象,运用线虫腔胞吸收ANF-GFP的基本原理来确定ESYT-2与分泌相关,之后又进一步使用全内反射荧光显微镜技术(TIRFM)来研究ESYT-2对致密核心囊泡的具体调控。结果:①ESYT-2功能缺失影响线虫神经细胞致密核心囊泡分泌。②ESYT-2影响致密核心囊泡分泌的栓系过程。结论:ESYT-2调控了致密核心囊泡的分泌过程。     

线虫全基因组RNAi筛选确定CAB-1为特异性调节致密核心囊泡分泌的因子

内分泌细胞和神经细胞通过释放激素和神经肽类物质来响应外界刺激,而这些物质的分泌,都是通过致密核心囊泡(dense core vesicle,DCV)来实现的.但是,现阶段关于DCV的生成、转运、释放的机制很大程度上是不清楚的.在本研究中,我们将线虫的排便行为和肠道分泌联系起来,并以此表型进行全基因组RNAi筛选,寻找调节DCV的新基因.我们成功筛选到了一些在肠道调节DCV生成或释放的基因.其中,CAB-1被确认为特异性调节DCV分泌的重要因子.在肠道中,cab-1突变会降低肠道DCV内容物的分泌,而在神经系统中,CAB-1的缺失也会导致DCV的标识物堆积在突触前,而突触囊泡(synaptic vesicle,SV)不受影响.     

PC12细胞中Synaptotagmin Ⅶ 的沉默抑制了致密核心大囊泡的分泌

Syt Ⅶ, 因其具有比Syt Ⅰ和Syt Ⅸ更高的钙离子亲和力, 以及在与脂质结合后表现出更慢的解离动力学过程, 被认为在致密核心大囊泡分泌的慢速动力学过程中起着钙离子感受器的作用, 而并不参与突触囊泡的快速分泌过程. 然而迄今为止, Syt Ⅶ的亚细胞定位和其在胞内具体的生理学功能尚未完全清楚. 在本研究中, 我们首先应用全内反射荧光显微镜技术表明, 在PC12细胞中Syt Ⅶ定位于致密核心囊泡. 通过综合运用高时间分辨率的细胞膜电容测量和碳纤维微电极安培检测, 确定了单独沉默内源性的Syt Ⅶ就可以明显减少PC12细胞中钙触发的致密核心囊泡和质膜的融合和抑制了融合孔的开放, 特别是减少了致密核心大囊泡胞吐触发相的幅值, 而对于其持续成分的速率则几乎没有影响. 这些发现提示我们Syt Ⅶ在PC12细胞致密核心囊泡融合机制中作为钙感受器, 对可释放致密核心大囊泡库的形成和维持起着非常重要的作用.     

CAPS在钙离子触发的囊泡释放中的作用

钙离子依赖的分泌激活蛋白（Ca^2＋-dependent activator protein for secretion,CAPS）是一类在进化中高度保守的促分泌蛋白,它存在两种异构体：CAPS1和CAPS2,两者在不同发育阶段的表达水平及组织中的分布上均有所差异。以往的研究认为CAPS1作为磷脂酰肌醇二磷酸（phosphatidylinositol diphosphate,PIP2）连接蛋白参与钙离子调节的大的致密核心囊泡（large dense-core vescicle,LDCV）与膜融合过程。最近的研究表明,CAPS1还作用于LDCV与膜融合的上游阶段,在分泌性囊泡的形成以及维持其稳定性方面发挥作用。     

CAPS在囊泡分泌过程中作用的研究进展

钙依赖的分泌激活蛋白(CAPS)是一种可以重组通透化神经内分泌细胞的分泌的蛋白.一般认为CAPS是选择性的在致密核心大囊泡的分泌过程中起作用,而不是在清亮囊泡的分泌过程中起作用.但是至今,我们并没有完全了解CAPS的作用机制,并且CAPS中各个预测的功能结构域的作用也不完全清楚.本文将对CAPS的研究进展做详尽的综述.     

Complexin在囊泡运输中的作用

神经递质释放对维持生物体正常的生命活动有着重要的意义,它是由囊泡运输介导完成的.神经元细胞中囊泡运输涉及许多蛋白质间的相互作用,共同调控这一复杂的过程,可溶性小分子蛋白Complexin(Cpx)在这一过程中起着重要的作用,它同时具有抑制囊泡自发发放和促进囊泡诱发发放的功能.本文综合国内外近20年的研究,着重介绍了Cpx蛋白各部分结构域的功能,及其与一些囊泡分泌相关蛋白,如SNARE复合体、Synaptotagmin(Syt),间的相互作用机制及其最新进展.     

秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）在药物筛选中的应用

基于靶点的体外药物筛选操作相对简单,成本较低,但是由于药物在体内的作用并不仅仅取决于其与靶点的作用程度,吸收、分布、代谢、排泄特征和毒性均会对早期先导物能否进入临床使用产生极大的影响,因此,药物的体内筛选受到重视。本文重点综述了秀丽隐杆线虫（C.elegans）在抗衰老、抗感染药物筛选中的应用情况。秀丽隐杆线虫结构简单、易于培养和可实现高通量筛选,在未来的药物筛选中必将发挥更重要的作用。     

秀丽隐杆线虫模型在阿尔茨海默病研究中的应用

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是一种与年龄相关的神经退行性疾病,该疾病的病理特征为老年斑（SPs）和神经原纤维缠结（NFTs）的存在。目前,阿尔茨海默病患病率呈现逐年上升的趋势,寻找完全治愈或延缓阿尔茨海默症发展的有效疗法和药物迫在眉睫。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的基因和神经元功能与人类具有高度同源性,可作为研究阿尔茨海默病发病机制研究的较好模型。本文综述AD的发病机制假说、秀丽隐杆线虫AD模型以及线虫模型在AD治疗中的应用进展,旨在为后续研究AD提供理论参考。     

以消散场成像和单微粒跟踪技术揭示GLUT4囊泡和分泌囊泡的不同动态过程

葡萄糖转运子蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)在维持体内葡萄糖动态平衡的过程中起着至关重要的作用。GLUT4贮存囊泡(GLUT4 storage vesicle,GSV)和神经内分泌细胞中的分泌囊泡含有许多相同的蛋白。研究证明这些蛋白调节了分泌囊泡的胞内转运过程,但是GLUT4囊泡和分泌囊泡是否具有相同的胞内动态过程还未阐明。文章以3T3-L1纤维原细胞中的GSV和神经内分泌细胞PC12细胞中的分泌囊泡:致密核心大囊泡(large dense core vesicle,LDCV)为研究对象,使用消散场显微成像技术和单微粒跟踪技术直观观察了活体细胞内单个GSV和LDCV的三维运动轨迹。通过以适当方程拟合单个囊泡的均方位移曲线,发现两种囊泡都具有三种运动模式。定量分析显示作自由扩散运动和方向性扩散运动的GSV数量明显多于LDCV。对比GSV和LDCV的三维扩散系数,发现GSV的扩散系数中值为7.2×10-4μm2/s,而LDCV的扩散系数中值仅为1.94×10-4μm2/s。这一结果说明GSV的活动性远大于LDCV,提示GSV的胞内转运过程涉及不同的分子机制。     

双顺反子表达技术在线虫神经元钙成像中的应用

在线虫中,钙成像技术已被广泛用于检测不同神经元的活性.然而,对于准确记录爬行中的活体线虫神经元钙信号仍然存在许多挑战,其中一个困难即来自于标记目标神经元。在同一个目标神经元中共同表达基因编码的钙指示蛋白和常量参考值荧光蛋白常常具有无法共表达的不确定性.另外,光谱的串扰影响存在于目前最常用的绿色钙指示蛋白系列G-CaMP与其参考值荧光蛋白DsRed系列之间,光谱的串扰有时会给信号记录带来假阳性结果.综上所述,本文首次提出应用双顺反子表达技术用于同一神经元的双蛋白标记,这不仅提高了共表达效率,更简化了线虫神经元标记的工作量.同时,本文还首次采用mKate2,一种与G-CaMP没有串扰的红色荧光蛋白作为参考量.以上改进已在感觉神经元ASH中得到验证.希望本文提出的方法能给线虫神经回路的研究提供一个更为方便、有效的途径.     

计算机视觉在线虫进食行为自动分析中的应用

秀丽隐杆线虫被广泛地用作研究基因与行为关系的绝佳模式生物.线虫的咽部神经元回路控制着复杂的进食行为.为了研究进食行为的分子机制,有必要对线虫进食行为表型分析鉴定.然而,目前为止,几乎所有的线虫进食行为表型鉴定都是通过人眼来判断.因为其泵入食物的肌肉运动频率高,该行为的分析是很困难而且效率低下的.为解决这个问题,我们设计了基于计算机视觉技术的自动化成像系统来高通量分析线虫进食行为表型.此成像系统对进食表型的检测准确率达到98%以上,并使得连续可靠地分析其表型细微变化成为可能.同时,在保证高准确率的前提下单位时间内分析数据的效率比人工分析提高了3倍.     

线虫核糖核蛋白基因内含子与相应编码序列的相互作用

对线虫核糖核蛋白基因内含子序列与相应编码序列采用Smith-Waterman方法做局域比对分析,探讨两者之间的相互作用机制．发现内含子中部序列确实存在与相应编码序列的相互作用区域．第一内含子的最佳匹配分布在内含子15%～55%的区域内,第二内含子的最佳匹配分布在内含子30%～80%的区域内．对于长内含子,在与外显子序列比对时,最佳匹配分布在内含子5%～20% 区域内,在与整个编码序列比对时,出现了两个峰区,一个位于内含子15%～30%区域内,另一个位于内含子54%～78%区域内．推测第一个峰区与外显子内部序列有关,第二个峰区与外显子-外显子结合区域的序列有关．还发现编码序列上存在多个与内含子序列的相互作用域和一些禁配区域分布．推测这些禁配区域与蛋白质结合区域有关．结论印证了内含子序列与相应编码序列协同进化的观点．     

线虫基因显微注射和整合技术——设备、操作与指南

秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)是研究动物遗传、个体发育和行为活动的重要模式生物,其主要优点是能够研究从分子细胞水平到整体系统水平的相关生命活动的作用机理．其中基因显微注射和整合是该领域的核心技术,广泛应用于研究线虫的基因表达、功能和基因间的相互作用等．显微注射技术使用尖端开口直径为微米级的玻璃微管,将所研究的目的DNA注射进线虫的性腺．注射的DNA被成熟的卵细胞吸收,以染色体外遗传物质的形式存在．但这种形式并不能稳定遗传,可采用基因整合技术将外源基因整合到染色体上,得到稳定遗传的线虫种系．显微注射是一项精细的实验技术,影响实验成功与否的因素较多,实际操作需要有一定的经验．在实践过程中逐步改进和完善了这项技术,在此主要介绍线虫显微注射技术的操作过程、创新方法以及注意细节．     

模拟微重力下秀丽隐杆线虫的力学感知和肌萎缩的发生机制——太空飞行线虫试验地面平行对照研究部分

目前,微重力导致肌萎缩的分子机制尚不清楚,重力感知是该事件发生的关键环节．为了回答这一问题,在此之前首先实施了太空线虫试验,这部分结果已经在本刊报道过．而本次研究主要是在地面上建立了模拟微重力环境,观察处理后秀丽隐杆线虫（C.elegans）体壁肌细胞结构和功能的变化,一方面用于验证太空试验,同时比较两种处理结果的异同,以便于评价地面模拟微重力的有效性．经过14天19．5h旋转模拟微重力处理后,对线虫生存率和运动能力进行了观察,并检测了几个重要的肌相关基因表达和蛋白质水平．模拟微重力下线虫生存率没有明显变化,但运动频率显著下降,爬行轨迹也发生了轻微改变,运动幅度降低,提示线虫运动功能出现障碍．从形态学上观察发现：肌球蛋白A（myosin A）免疫荧光染色显示模拟微重力组肌纤维面积缩小,而肌细胞致密体（dense-body）染色可见荧光亮度下降．这些结果直接提示模拟微重力使线虫出现了肌萎缩．随后Western blotting试验结果揭示,模拟微重力组线虫体壁肌的主要结构蛋白——myosin A含量减少,进一步确证了微重力性肌萎缩发生．在基因水平,旋转后抗肌萎缩蛋白基因（dys-1）表达明显上升,而hlh-1,unc-54,myo-3和egl-19的mRNA水平均下调,提示dys-1在骨骼肌感知和传导力学信息方面有重要作用,而hlh-1,unc-54,myo-3和egl-19则分别从结构和功能两个途径促进了微重力性肌萎缩的发生和发展．本次试验所得到的结果同太空飞行试验结果十分相似,一方面强化了太空试验结论,另一方面说明在地面上模拟微重力对生物体进行研究是有效可行的,将有助于提高太空试验的质量．     

The role of C. elegans Ena/VASP homolog UNC-34 in neuronal polarity and motility

Ena/VASP proteins mediate the effects of guidance cues on the actin cytoskeleton. The single C. elegans homolog of the Ena/VASP family of proteins, UNC-34, is required for the migrations of cells and growth cones. Here we show that unc-34 mutant alleles also interact genetically with Wnt mutants to reveal a role for unc-34 in the establishment of neuronal polarity along the C. elegans anterior-posterior axis. Our mutant analysis shows that eliminating UNC-34 function results in neuronal migration and polarity phenotypes that are enhanced at higher temperatures, revealing a heat-sensitive process that is normally masked by the presence of UNC-34. Finally, we show that the UNC-34 protein is expressed broadly and accumulates in axons and at the apical junctions of epithelial cells. While most mutants lacked detectable UNC-34, three unc-34 mutants that contained missense mutations in the EVH1 domain produced full-length UNC-34 that failed to localize to apical junctions and axons, supporting the role for the EVH1 domain in localizing Ena/VASP family members.     

综述: 秀丽线虫胰岛素类生长因子和雷帕霉素受体信号通路对衰老的调节作用

衰老表现为随着时间推移而带来的功能上的衰退和死亡率的上升.利用模式生物,研究人员已经证明,衰老受高度保守的信号通路所调控,而且遗传与环境因素的改变可以显著延长寿命并延缓功能上的衰退.作为一种模式生物,秀丽线虫由于其遗传操作的简单性以及基因组的高度保守性,已被广泛应用于现代生物学研究中.许多关于衰老的分子机理最初是在秀丽线虫中被阐明的.本文总结了秀丽线虫中高度保守的胰岛素类生长因子(IGF-1)和雷帕霉素受体(TOR)这两条信号通路调控衰老的研究进展,并对未来的研究方向展开了评述.     

Steepness of thermal gradient is essential to obtain a unified view of thermotaxis in C. elegans

One of the adaptive behaviors of animals in their environment is thermotaxis, by which they migrate toward a preferred temperature. This sensorimotor integration is accomplished by choosing one of two behaviors depending on the surrounding temperature, namely thermophilic or cryophilic movement. Caenorhabditis elegans exhibits thermotaxis and its migration behavior has been analyzed experimentally at both the population and individual levels. However, some experimental data are inconsistent especially for thermophilic movement, which is expected to be observed in lower than favorable temperatures. There are no experimental analyzes that find thermophilic tendencies in the individual behavior of worms, despite multiple reports supporting thermophilic movement of the population. Although theoretical methods have been used to study thermotaxis of C. elegans, no mathematical model provides a consistent explanation for this discrepancy. Here we develop a simple biased random walk model, which describes population behavior, but which is based on the results of individual assays. Our model can integrate all previous experiments without any contradiction. We regenerate all the population patterns reported in past studies and give a consistent explanation for the conflicting results. Our results suggest that thermophilic movement is observed, even in individual movements, when the thermal gradient is sufficiently slight. On the contrary, thermophilic movement disappears when the thermal gradient is too steep. The thermal gradient is thus essential for a comprehensive understanding of the experimental studies of thermotaxis in C. elegans. Our model provides insight into an integrative understanding of the neural activity and thermotactic behavior in C. elegans.