Nature子刊：首个启动疼痛的神经元“蛋白质图谱”

亥姆霍兹研究所的研究人员首次绘制出引发疼痛的特定感觉神经元的详细蛋白质图谱。他们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上，将有助于研究人员更好地了解慢性炎症性疼痛的分子机制，并发现新的药物靶点。

　　

全球五分之一的人患有慢性炎症性疼痛。与此同时，约三分之二的患者发现现有止痛药物疗效甚微；因此，迫切需要新的治疗方法。“我们首先必须精确了解感觉神经细胞如何在分子水平上触发疼痛——换句话说，哪些蛋白质参与其中，”柏林马克斯·德尔布吕克中心体感知觉分子生理学实验室负责人加里·莱文教授说道。 

为了揭开这些分子过程的神秘面纱，莱文（Lewin）——他研究疼痛已有四十年之久，近期发现了一种此前未知的、与疼痛感知相关的离子通道——正与同一研究中心的系统生物学家、空间蛋白质组学实验室负责人法比安·科西亚（Fabian Coscia）博士紧密合作。科西亚博士参与开发了一种名为“ 深度可视化蛋白质组学”（Deep Visual Proteomics）的方法 ，该方法能够确定特定细胞的蛋白质组（即所有蛋白质的集合），并绘制出详细展现单个蛋白质空间位置的图谱。  

研究人员将这项技术与莱文团队的电生理方法相结合。这使他们能够首先根据功能识别出疼痛神经元的特定亚型，然后分析它们的蛋白质谱。最终获得了这些神经细胞的高分辨率分子图谱，该图谱已发表在《自然通讯》杂志上。该团队还展示了这项技术如何用于识别治疗慢性疼痛的潜在新药靶点。  

桑普尔纳·查克拉巴蒂博士是这项研究的第一作者，她曾是莱文实验室的博士后研究员，现在领导着位于布伦瑞克的亥姆霍兹感染研究中心的感染与伤害感受通路研究组。伤害感受是指我们的神经如何对引发疼痛的刺激做出反应。皮肤和其他周围组织（例如肌肉和关节）中能够检测有害刺激的神经被称为伤害感受器；它们将信号传递到大脑，从而启动疼痛。   

未被发现的信号通路 

并非所有伤害感受器都相同。“此前，我们只了解不同伤害感受器亚群的转录组——也就是RNA水平的信息，”Chakrabarti说道。“然而，所有细胞的实际功能成分是由这些转录本形成的蛋白质——而我们现在首次对两种伤害感受器亚型中的蛋白质进行了更详细的研究。”该团队利用一种名为膜片钳技术的电生理方法，首先在小鼠脊髓神经节中识别并表征了两种伤害感受器亚型——肽能型和非肽能型。这两种亚型对相似的刺激反应不同，并且可能引发不同性质和持续时间的疼痛。 

研究人员使用了每种亚型约50个神经元，为这两种细胞类型分别生成了特定的蛋白质图谱。深度可视化蛋白质组学结合了质谱、显微镜、人工智能和机器人技术。Coscia及其团队此前主要将这种方法用于癌细胞的蛋白质组分析。“我们现在首次证明，它也可以应用于神经细胞，”他说道。 

研究团队对这50个神经元中的6000多种蛋白质进行了测量。与现有RNA数据的比较显示，在某些情况下，这些细胞的转录组和蛋白质组存在显著差异——这表明关键的功能过程只有在蛋白质水平上才能显现出来。“我们提供了一张独特的疼痛起始神经元分子图谱，”Coscia说道，“它能够识别这些细胞中此前一直不为人知的信号通路。” 

为了进一步探究哪些蛋白质会使神经细胞敏感化，从而导致慢性疼痛，Chakrabarti及其同事从小鼠背根神经节中分离出两种类型的伤害感受器，并将它们暴露于一种名为神经生长因子（NGF）的分子中。已知NGF会引发动物和人类的慢性疼痛，例如关节炎。研究人员利用深度可视化蛋白质组学技术，精确地鉴定了细胞暴露于NGF后产生的蛋白质。  

对疼痛信号的敏感性降低

莱温及其团队早在 30 多年前就已发现神经生长因子（NGF）在慢性炎症性疼痛中起着重要作用。莱温说：“在狗和猫身上，现在可以使用抑制神经生长因子的抗体来非常有效地缓解疼痛。”他还补充道：“但在人类身上，由于罕见的副作用，这些药物一直未能得到应用。”“但现在我们或许找到了一种替代方法：针对导致神经生长因子产生致敏效应的下游蛋白质进行干预。”

“我们发现，在接受神经生长因子治疗后，一部分伤害感受神经元中存在较高水平的几种蛋白质。这些蛋白质的含量升高可能与炎症引起的长期疼痛有关。” 其中一种蛋白质——一种名为 B3GNT2 的酶，表现得尤为突出。她说：“当我们敲除细胞中相应的基因时，炎症引发的伤害感受神经元的过度活跃现象得到了抑制。对机械刺激作出反应的神经元数量减少了。” 换句话说，这些神经元变得不那么敏感，从而引发的疼痛也大大减轻了。

未来，研究人员计划在小鼠和人类身上验证他们的研究成果。科西卡说：“目前，所有获批的药物中超过 90% 都是针对蛋白质的。这凸显了深入了解这些分子的重要性，以便找到新的治疗目标，从而开发出更有效的止痛疗法以及针对其他神经疾病的新疗法。”