系统盘点：饶毅教授近两年的学术成果

“化学连接组”新概念

2019年2月21日，教授饶毅实验室在Neuron（《神经元》）上发表论文：Chemoconnectomics: Mapping Chemical Transmission in Drosophila（化学连接组学：构建果蝇化学传递图谱）。

这是中国科研历史上，第一次在同一篇论文中出现新概念、新途径和强有力资源三者合一——化学连接组是一个新概念，化学连接组学是一个新途径，应用于果蝇的相关工具是强有力的资源。

（CCT is a novel concept, chemoconnectomics a new approach and CCT tool lines an powerful resource for systematic investigations of chemical transmission-mediated neural signaling circuits underlying behavior and cognition. ）

文章以与众不同的“我们定义‘化学连接组’”为开始。文章指出：虽然对部分的单个神经递质及其受体有很多研究，但迄今对全部递质及其受体作为整体的重要性认识不足，化学连接组是反映其生物学整体重要性的新概念；化学连接组学新途径是将化学连接组作为具有生物学意义的入口剖析行为和认知的神经环路；应该制造与化学连接组相关的基因修饰动物品系，普遍用于行为和认知的分子研究及其环路的遗传解析。

饶毅实验室论文的新概念为“化学连接组”（chemoconnectome，简称CCT）。现代神经科学关键问题之一是神经系统如何连接、连接如何起功能作用、在不同状态（如学习记忆、或疾病）中连接组是否改变。以往的连接组以物理空间测度定义，而化学连接组是以神经传递信息的化学分子定义来定义连接组。已知信息在神经纤维上是电传导，而信息在神经细胞之间、神经细胞与其他细胞之间是化学传导，其分子为神经递质、神经调质、神经肽等。长期以来，对神经递质及其受体的研究局限于研究一个、或少数几个递质或受体。

饶毅提出的化学连接组，是一个动物体内所有的神经递质、调质、神经肽及其受体作为整体的概念。论文的新途径为“化学连接组学”（chemoconnectomics），它是建立在化学连接组概念之上、结合分子生物学和遗传学方法的研究途径，并有助于切入化学连接通路。论文的新资源是为开展化学连接组学，饶毅实验室通过分子生物学和遗传学制作了逾百个果蝇基因的数百株基因修饰的品系，提供了实现化学连接组学所必需的资源，而其设计和制造对应用至关重要。经过饶毅实验室多个研究生、博士后14年的努力，在以往6篇研究单个神经递质的论文之后，以邓博文为第一作者的文章是这一系列工作的第7篇论文。

饶毅提出了化学连接组的概念，十四年以来逾12位研究生、一位博士后参与开发和实现了化学连接组学。它在揭示脑的构成和神经环路方面不仅与已有连接组学互补，而且有明显优势。它在揭示基因与行为和认知的分子机理方面，与随机遗传突变筛选互补、并有专注神经信号的优势，这一优势原则上也可在哺乳类实现，还将克服迄今难以对参与哺乳类行为和认知的基因进行系统研究的障碍。

为了全面、系统研究化学连接组，饶毅实验室通过基因修饰神经递质及其受体相关的基因，既可以追踪所有神经递质（和神经调质）、及其受体，也可以操纵这些基因，还可以操纵表达相关基因的神经细胞，从而在分子和细胞水平重构神经细胞的功能连接，而且确定其中参与的神经递质及其受体。

在最新的邓博文等论文中，饶毅实验室首选果蝇来实现CCT。果蝇一百多年来为生物学提供了多个突破，科学家可以有力地在果蝇应用遗传学和分子生物学，且其成本低，一个实验室就能做完。果蝇有193个CCT相关的基因，邓博文等倾力工作，设计为每个基因制造缺失突变，并敲入外源DNA片段以标记每个基因。为此，他们已经制备了数百多株果蝇品系，以分别研究基因的表达和功能。

CCT具备所有现有连接组学所没有的优点。CCT可以系统地研究神经信息传递，因为它涵盖了全部已知的神经递质、神经调质、神经肽及其受体；CCT在介观尺度全面系统地解析神经连接，其他介观和微观连接组学方法可以应用、扩展和围绕它进一步深化。CCT抓住了神经传导信号的关键：神经递质及其受体，可以通过递质表达的神经细胞、和受体表达的神经细胞来推断神经环路；CCT不仅可以研究基因的功能，也能研究细胞的功能；CCT通过运用遗传操纵的分子逻辑门，不仅可以检测两个基因的关系，而且可以研究两个细胞的连接和关系；理论上，CCT可以研究多个基因和多个细胞的功能关系，包括直接和间接关系。

CCT成为新概念是因为它抓住了神经传递作为信号的生物学特征，CCT成为新的主导型的研究途径是因为其综合分子生物学和遗传学技术进行了有效的设计。用果蝇做CCT的工作量是一个实验室就可以承担的，是显示这一概念加途径的最佳方式。饶毅实验室的文章提到：“在哺乳类进行CCT的想法没有逃脱我们的注意”。实际他们已设计哺乳动物的CCT，并有少量结果，尚未发表。

邓博文巧妙地设计如何克隆基因，使它能够一专多能：果蝇的一个基因被修饰后，其后可以比较方便地进行多种修饰。不仅看基因表达的细胞，而且可以观察其编码蛋白质表达的亚细胞区域，例如只表达在神经细胞的轴突上。他们不仅追踪小分子神经递质，而且追踪神经调质和神经肽。

邓博文等建立了第一个CCT后，进行了初步应用。他们发现不仅神经细胞、而且神经胶质细胞也有递质和受体，邓博文等还发现神经系统另外一类细胞—神经胶质细胞含有特定的神经肽和神经递质的受体，刘新星发现蟑胺b2受体不仅在神经细胞调节睡眠，也在胶质细胞调节睡眠。他们发现一个神经细胞含有多个神经递质的规律（哪些递质可以在同一个细胞，哪些不在）。一个神经细胞的活性对于特定行为（如睡眠）的调节常常通过细胞内不止一个神经递质、神经调质、神经肽来进行。他们通过初步筛选CCT的缺失突变株，发现至少41个CCT基因调节睡眠，其中部分可以看出上下游关系（含分子A的神经细胞含分子B的神经细胞之上游）。

邓博文等的论文被同行评审专家赞赏。国际专家称道：“作者有远见，并能够有计划完成这一庞大任务”。专家对这项工作的评议是这项工作不仅有创造性，而且是“杰作”，“将对整个果蝇领域有巨大的影响，而且影响将远超出果蝇研究，…因为这是任何动物模型中第一次如此系统规模地的分析。它不仅揭示脑组织方式的普遍原则，也将在机理上解析特定环路的功能”。

该论文的共同第一作者为邓博文、李祺、刘新星和曹越等四位研究生，另有李冰峰、钱永军、周恩兴、毛仁波等在北大工作的研究生，以前的博士后黄娟已经在南京医科大学任教，她和其学生徐瑞也参与研究并为本文作者，通讯作者为饶毅。