1、 提名国家自然科学奖项目公示项目名称 量子化神经递质囊泡的分泌机理提名单位 教育部项目简介：神经系统智能的基础是两个神经元间的突触信号传导，包括突触前神经递质释放和突触后膜受体激活。本项目研究突触前神经递质释放的机制。经典的 Katz 假说认为突触前膜囊泡分泌的“刺激分泌偶联”规律是：细胞内钙离子（Ca）触发囊泡（内含神经递质）发生“量子化” （all or non quantal）分泌，俗称“钙离子假说”或“量子分泌假说” 。本项目团队重点是检验神经科学这个核心概念的分子机理及适用范围。针对 Katz“钙离子假说 ”，2002 年本团队发现了第一个例外。在实时记录初级感觉 DRG 神经元胞体
2、的分泌信号时发现，除了存在经典的 Ca 依赖性分泌成份，还存在一种 Ca 不依赖但电压依赖的分泌（CiVDS ）成份（2002，Nature Neuroscience，5:425，此为中国大陆发表该刊首篇） 。2002 以来，团队研究 CiVDS 生理功能和分子机制（Neuron, 2004; PNAS, 2005; Biophys J, 2009; J Physiol, 2011)。CiVDS发现次年，本领域世界领袖之一德国 Neher（1991 诺贝尔奖）小组专门研究了 CiVDS在神经突触传递中的适用范围问题（PNAS, 100: 15200） 。在发现 CiVDS 后 15 年后周专团
3、队再次取得突破，发现 CiVDS 的“分子机器”由电压传感分子 Cav2.2、分泌小孔蛋白 SNARE、及它俩的联系结构 “synprint”构成（Neuron, 2017） 。CiVDS 是中国神经科学研究 2000 年起飞以来首批赢得国际声誉的成果之一。针对 “量子分泌假说” ，1994 年本团队的负责人周专发明低噪声电化学碳纤维电极 ProCFE（ 1995 年它被华盛顿大学技术转让美国 Axon 公司商品化，被 200 多国际实验室使用。周专（通讯作者）应用 ProCFE 首次在神经内分泌嗜铬细胞记录到钙离子诱导的“亚量子化（kiss-and-run） ”肾上腺素分泌（Zhou* et
4、 al, 1996， JBC， 271:270; Biophys J, 70:1543） 。1997 年以来周专团队深入研究了逐渐成为神经科学热点的 kiss-and-run 分子机理，率先发现了它的第一个调控蛋白（GPCR-Gi-, Nature Neuroscience, 8:1160，2005） 。2017 年发现“微域内钙信号”对 kiss-and-run 与full release 两种分泌模式的选择性触发机制（ Science Signaling，2017） 。目前“kiss-and-run”分泌概念已经进入神经科学主流教科书，本团队对这一国际前沿领域的发展作出了关键性贡献。在高灵
5、敏度单胺类神经递质微电极第一代 ProCFE 和第二代 pegCFE 基础上，项目团队率先在鲜活脑组织薄片神经元上实时记录到量子化去甲肾上腺素、多巴胺释放（PNAS, 2007; PNAS, 2014） ，研究了单胺分泌异常相关的神经疾病（精神分裂症、帕金森氏病、吸烟成瘾等）机理（JCB, 2008; PNAS, 2014; Nat Commns, 2014；Nat Commns, 2017） 。客观评价：1.周专团队 2002 年首次发现钙不依赖但电压依赖性分泌“CiVDS”(Nat Neurosci, 2002)及相应胞吞模式（Neuron, 2004）后，历经 15 年不懈努力，最近终于
6、成功解析了 CiVDS 的“ 分子机理” （Neuron ，2017 ） 。国际权威综述期刊 Nature Review Neuroscience、F1000 立即对该文做了专评，认为这是对基本神经信号传导的最新贡献。国际神经分泌和离子通道领域知名专家 Catterall (U Washington)、Lomes (U Mass)、Holz（ U Michigan)、Okamura(Osaka U)来信认为 CiVDS 研究成果是对钙离子主导的突触传递机理的 “major breakthrough” , “game changer”,论文“fascinating” , “wonderful”（
7、详见附件） 。2.项目团队负责人周专应用自创的第一代 ProCFE 电极首次记录到最微小 50nm的突触囊泡单胺类量子化分泌（包括去甲肾上腺素和多巴胺）和亚量子化分泌，分别进入国际通用教科书。ProCFE 成为第一个国际推广的单胺类量子化分泌记录电极；周专团队应用自创第二代 pegCFE 电极揭示了帕金森病干细胞治疗中的多巴胺分泌机理（见代表论文）及帕金森病的病理机制（PNAS, 2014； Nat Commun, 2017） ，研究工作发表后收到许多国内外学术同行们合作请求，包括美国来自 Nebraska 大学 Jialin Zheng 和威斯康星州 Thomson 人源干细胞中心 Such
8、un Zhang；这些工作被大量新闻报道（包括媒体专访）和患者来信（详见附件） 。应用 pegCFE 发展出一种研究多巴胺信号通路的通用方法“2pDA” ，用于揭示基于多巴胺分泌的吸烟成瘾的新机理（见代表论文） 。这个最新“利器”2pDA 可能揭示各种多巴胺相关疾病的机理（帕金森病、精神病、毒品成瘾、疼痛等） 。周专应邀到英国皇家学会 RS（2015 ） 、美国分析化学会议 Pittcon（2015 ） 、牛津大学、哈佛大学等做 symposium 报告。 （详见附件）3. 继周专 1996 年首次发现与“量子化”分泌同等重要的“亚量子化”分泌（Kiss-and-run, Biophysica
9、l Journal, 1996）后，周专团队 2005 年再次获得重大突破，发现 kiss-and-run 首个调控蛋白 Gi-（Nature Neuroscience, 2005） ，顶级学术期刊 Nature Review 等对研究内容进行重点评述，认为这是调控 kiss-and-run 亚量子分泌的第一个内源性机制（详见附件） 。周专团队 2017 年应用超分辨动态成像发现“微域内钙信号”对两种分泌模式的选择性触发机制（Science Signaling，2017，封面文章） ，Science 期刊以 Kiss-and-run or a full commitment 为题对本研究进行亮
10、点评述和特别推荐。周专团队 2005 年发现量子化胶质分泌后，被 Haydon 在国际权威综述 Physiology Review 专章节介绍（详见附件） 。4.发现 TRPA1 介导的胞内溶酶体钙释放及其触发的神经分泌活动（The Journal of Cell Biology, 2016） ，同刊发表长篇评述文章 “Apainful TR(i)P to lysosomes”对本文进行了亮点评述，称“该工作有力地证明 TRPA1 介导了胞内溶酶体钙释放，并引出了很多重大科学问题，回答这些问题将会开启细胞器通道研究的新纪元” 。 （详见附件）5. 研究工作荣获 2005 年全国优秀博士论文(张
11、晨)指导教师、2006 年复旦大学“九源生命科学”谈家桢（一等奖陈晓科）导师奖、2006 年张锡均基金会第九届全国青年优秀生理学论文一等奖（王烈成）指导教师、2017 年度高等学校科学研究优秀成果奖( 科学技术) 一等奖。 （详见附件）6. 应邀为 NEUROSCIENTIST（IF 7.3）就胶质细胞 kiss-and-run 亚量子分泌撰写综述（详见附件） ；应邀为国际学术期刊 Frontiers in Molecular Neuroscience（IF 5.1）就神经胞体细胞量子化分泌撰写综述（详见附件） 。7. 团队负责人担任国际嗜铬细胞生物学理事会执委；主办第 11 届 Sympos
12、ium on Calcium Signaling in China (SCSC)、任第 16 届（2011）嗜铬细胞国际学术会议主席。代表性论文专著目录： 1. Zhang C and Zhou Z. Ca(2+)-independent but voltage-dependent secretion in mammalian dorsal root ganglion neurons. Nature Neuroscience. 2002, 5(5):425-430.2. Zhang C, Xiong W, Zheng H, Wang L, Lu B and Zhou Z. Calcium- a
13、nd dynamin-independent endocytosis in dorsal root ganglion neurons. Neuron. 2004, 42(2): 225-236.3. Yu X, Duan KL, Shang CF, Yu HG and Zhou Z. Calcium influx through hyperpolarization-activated cation channels (I(h)channels) contributes to activity-evoked neuronal secretion. Proc Natl Acad Sci U S A
14、. 2004, 101(4):1051-1056.4. Chen XK, Wang LC, Zhou Y, Cai Q, Prakriya M, Duan KL, Sheng ZH, Lingle C and Zhou Z. Activation of GPCRs modulates quantal size in chromaffin cells through G and PKC. Nature Neuroscience. 2005, 8(9):1160-1168.5. Chen X, Wang L, Zhou Y, Zheng LH and Zhou Z. “Kiss-and-run“
15、glutamate secretion in cultured and freshly isolated rat hippocampal astrocytes. The Journal of Neuroscience. 2005, 25(40):9236 -9243.6. Huang HP, Wang SR, Yao W, Zhang C, Zhou Y, Chen XW, Zhang B, Xiong W, Wang LY, Zheng LH, Landry M, Hkfelt T, Xu ZQ and Zhou Z. Long latency of evoked quantal trans
16、mitter release from somata of locus coeruleus neurons in rat pontine slices. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007, 104(4):1401-1406.7. Chen XW, Feng YQ, Hao CJ, Guo XL, He X, Zhou ZY, Guo N, Huang HP, Xiong W, Zheng H, Zuo PL, Zhang CX, Li W and Zhou Z. DTNBP1, a schizophrenia susceptibility gene, affects
17、 kinetics of transmitter release. J Cell Biol. 2008, 181(5): 791-801.8. Liu T, Sun L, Xiong Y, Shang S, Guo N, Teng S, Wang Y, Liu B, Wang C, Wang L, Zheng L, Zhang CX, Han W and Zhou Z. Calcium triggers exocytosis from two types of organelles in a single astrocyte. J Neurosci. 2011, 31(29):10593-10
18、601.9. Kang X, Xu H, Teng S, Zhang X, Deng Z, Zhou L, Zuo P, Liu B, Liu B, Wu Q, Wang L, Hu M, Dou H, Liu W, Zhu F, Li Q, Guo S, Gu J, Lei Q, L J, Mu Y, Jin M, Wang S, Jiang W, Liu K, Wang C, Li W, Zhang K and Zhou Z. Dopamine release from transplanted neural stem cells in Parkinsonian rat striatum
19、in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014, 111(44):15804-15809.10. Wang L, Shang S, Kang X, Teng S, Zhu F, Liu B, Wu Q, Li M, Liu W, Xu H, Zhou L, Jiao R, Dou H, Zuo P, Zhang X, Zheng L, Wang S, Wang C and Zhou Z. Modulation of dopamine release in the striatum by physiologically relevant levels of nic
20、otine. Nature Communications. 2014, 5:3925.主要完成人情况：1. 周专，排名 1，教授，现在工作单位：北京大学，完成单位：北京大学，为本申报科研成果第一完成人、团队负责人、全部 10 篇代表论文的通讯作者。负责这些研究的立项、课题设计、研究指导、数据分析和论文修改。在理论上拓展了神经科学核心理论之一“Katz 量子化分泌突触传递假说”-膜电压通过胞内钙“间接”介导量子化分泌（钙依赖分泌，CDS）。我们在感觉神经元 DRG 中发现，除 CDS 外，还第二类分泌，即“ 钙离子不敏感但电压敏感分泌（ CiVDS）”。发现 CiVDS 是对 Katz 假说中神
21、经“电压间接作用 ”论断的一个重要修正。周专通过发明低噪音电化学 ProCFE 电极，首次记录到神经递质的“亚量子化分泌” 。 这是对 Katz 神经“量子化分泌”论断的又一突破。发明第二代低噪音电化学 pegCFE 电极检测多巴胺（DA），研究“奖赏脑区”DA，记录到“2 相 DA 分泌信号”（2pDA）, 及其对应的两条 DA 上游分泌通路（dDT、CTDT ）。 2pDA 在吸烟成瘾、干细胞治疗帕金森病机理研究中取得进展。2. 张晨，排名 2，研究员，工作单位：北京大学，完成单位：北京大学，CiVDS 重要完成人之一，代表论文 1、2 的第一作者。首次报道了背根神经节细胞上存在的一种钙离
22、子无关的、电压依赖的囊泡分泌现象,发现去极化本身可以引起一个快速的、恢复时程很短的细胞分泌，这个发现对于细胞分泌的经典理论作出了重要的补充；报道了一种钙离子不敏感、依赖于神经冲动发放频率的快速胞饮过程。这种快速胞饮发生的时程在秒级，而且是与分泌的大小直接相关，而与刺激无关，显示这种快速胞饮是由囊泡分泌直接触发的。刺激的频率可以调控胞饮的动力学。这种频率依赖的胞饮现象依赖于细胞内的磷酸化过程，而与 GTP 酶 dynamin 的活性无关。这些结果在神经元上清楚地揭示了胞饮的频率依赖性，以及磷酸化和 PKA 途径在其中的作用。3. 王昌河，排名 3，研究员，现在工作单位：西安交通大学，完成单位：北
23、京大学，多巴胺分泌和 CiVDS 重要完成人之一，代表论文 7、8、9 的作者。发现 Ca2+除直接触发胰岛素分泌外，还通过 PKA 信号通路促进囊泡循环，维持胰岛素持续分泌；首次发现胞外 Ca2+对囊泡量子化分泌的抑制作用。2）分泌相关神经疾病：发现吸烟成瘾新机制，即纹状体胆碱能神经元间接触发多巴胺分泌，该间接通路受吸烟抑制，为成瘾治疗提供新药靶；首次证明纹状体移植神经干细胞通过分泌多巴胺缓解帕金森病症，为帕金森病细胞疗法提供理论基础；证明精神分裂症小鼠纹状体区无多巴胺分泌缺陷。4. 柴祖映，排名 4，博士研究生，现在工作单位：北京大学， 完成单位：北京大学。CiVDS 重要完成人之一，作为
24、第一作者首次揭示了哺乳动物初级感觉神经元中存在的一种特殊囊泡分泌模式-钙离子不依赖但依赖于电压的囊泡分泌模式的分子机制（这项成果时间跨度从 2011-2017）。此外，柴祖映等对成年 DRG 单个神经细胞转染技术（世界难题）贡献不仅是揭示 CiVDS 机理（Neuron, 2017）的关键,也帮助了一项国际 PTC 专利（PTC/CN2007/001451, USA 专利 No. 200610026241.9; European 专利 No. 2023138, proved 2012-3-21, 中国专利号 200780015522.7/授权号CN 101432624B）和一项合作 华中科大小组姚镜等和北大周专小组周专+ 柴祖映在家族遗传疼痛机理研究中取得突破性进展(PMID: 24207120), 发表 4 年来已经被 SCI引用 70 次。5. 熊巍，排名 5，研究员，现在工作单位：清华大学，完成单位：北京大学，CiVDS 重要完成人之一，代表论文 2 的共同第一作者。2004 年报道了一种不依赖于传统调控因子（诸如钙离子和 dynamin）的胞吞机制（ 2004 Neuron）。在神经信息
