海利·贝内特发现,一名2000岁的约克郡男子被斩首,他保存下来的大脑中的古老蛋白质可能为现代疾病提供线索

神经学家阿克塞尔的作品当他第一次听说那个约克郡人的时候,他正听着收音机,前一天晚上实验室派对的宿醉还没醒。那是2008年12月,根据一则新闻报道,考古学家在英国约克大学校园的一个挖掘坑中发现了一具2600年历史的铁器时代人的头颅。里面有一件出乎意料的东西:他那萎缩了,但完好无损的大脑。

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约克郡男子的头骨被斩首并保存在一个潮湿的坑里

这名男子显然死于一场残酷的袭击,其中至少七次袭击了他的颈部。他的大脑,按说早就腐烂了,被泥裹得严严实实,但仔细清理后,发现了它保存完好的结构,包括神经学家称之为脑回和脑沟的脊和沟。“没有人知道这个大脑是如何存活下来的,”佩佐德回忆道。然而,他立即将这一非凡的发现与自己的研究联系起来。在伦敦大学学院皇后广场神经学研究所的实验室里,佩佐德试图帮助因大脑神经受损而导致视力下降的患者。这包括寻找填充神经细胞的特定蛋白质。他突然想到,这些蛋白质的某些特性可能解释了约克郡男子大脑的异常保存。

佩佐德被电台的报道迷住了,很快就与约克小组取得了联系。尽管他的宿醉正在消退,但他发现自己正在给首席考古学家索尼娅·奥康纳(Sonia O’connor)打电话。他笑着说:“那时我已经设法吃了一片阿司匹林,回去工作了。”“我们进行了非常愉快的讨论。”

Palaeo-curious

在佩佐德的帮助下,在接下来的十年里,研究小组开始通过这名被斩首男子萎缩大脑中的蛋白质来解开他的故事。为了做到这一点,他们使用了分子生物学家曾经很熟悉的生化技术,但现在这些技术已经成为“古蛋白质组学”(研究古代蛋白质)的工具包的一部分。虽然佩佐德绝不是古蛋白质组学专家,但你可以把他称为“古好奇者”,他曾与大英博物馆(British Museum)的木乃伊一起排队等待医院的CT扫描仪,就在马路对面。他还非常熟悉人类大脑的分子组成。

清理古人的大脑

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考虑到大脑已经有2600年的历史,它的状况相当不错

在佩佐德自己的工具箱中,有基于抗体的测试,他用来从活着的病人的大脑中挑选被称为中间丝的松软蛋白质纤维。现在,他打算将类似的测试应用于早已死亡的人。佩佐德怀疑,正是这些纤维在铁器时代的大脑保存过程中起了一定作用。中间纤维是8-12nm厚的蛋白质,它使脑细胞结构稳定,同时也足够灵活,可以改变结构。它们有两种形式:神经纤维(在神经细胞中)和胶质纤维酸性蛋白(在支持细胞中称为星形胶质细胞)。神经丝是神经细胞损伤的有用生物标志物,因为它们是从受伤的神经元中泄漏出来的;的作品是测量创伤性脑损伤患者的水平使用一种叫做微透析导管的探针插入额叶皮层,这是一种“实时”监测大脑生物化学的方法。他解释说:“你可以把它直接放在大脑神经元旁边。”“如果我们使用这种液体,那么你仍然可以看到全长的蛋白质。”

相比之下,在约克郡男子的大脑中,这些蛋白质远不是完整的。但正如佩佐德的实验所证明的那样,即使它们已经缓慢地分裂了数千年,它们仍然存在。蛋白质能存活这么长时间并不是闻所未闻。蛋白质的降解速度比DNA慢得多,并且越来越多地为我们提供有关更深层历史的信息。动物骨骼,其中含有胶原蛋白例如,可以与某些物种相匹配的是共同的来源,使考古学家能够阐明过去的畜牧业实践。

与此同时,人类牙齿的刮伤也有所帮助杰西卡Hendy说他是约克大学的古蛋白质组学专家,与奥康纳分开工作我们祖先饮食的直接证据.Hendy说:“我们从牙垢中提取了一些蛋白质,我们不断发现牛奶蛋白质的证据。”“所以我们发现这是一种新的方法来识别过去的牛奶消费量。她补充说,考古学家对人类喝牛奶习惯的历史特别感兴趣,因为人类消化乳糖的能力是最近才进化出来的。通过寻找古代牛奶蛋白质组成部分氨基酸的差异,也有可能分辨出它们是来自奶牛、绵羊还是山羊。

更多的大脑

然而,比从年老的骨头或牙齿中获取蛋白质更令人惊讶的是,从年老的大脑中获取蛋白质,我们认为这种软组织在正常的腐烂过程中会相对迅速地被破坏掉。亚历山德拉Morton-Hayward她在英国牛津大学攻读博士学位,研究保存下来的大脑的生物分子组成。她发现大脑并不总是像预期的那样分解。这位约克郡男子也是她进入这一领域的途径——当她看到一篇关于他的论文时,她开始深入研究文献。她回忆说:“一个人提到了另一个人,然后又提到了几个人。”不知不觉中,她发现了自17世纪中期以来发表的1800多份保存完好的大脑报告。虽然她没有一个连贯的解释为什么所有这些大脑都能存活下来——它们出现在干燥和潮湿的条件下以及不同的土壤中——但她也对松软的蛋白质成分感兴趣。

除了中间纤维,莫顿-海沃德还在研究髓磷脂碱性蛋白(MBP),这是一种关键的中枢神经系统蛋白质,也从约克郡人身上发现了这种蛋白质。这三个人都是变形人。他们有“内在无序的区域”使他们能够这样做像折纸一样折叠,而不是形成稳定的3D结构.正如莫顿-海沃德解释的那样,它们灵活的结构与它们“不断重新布线”的功能密切相关,这些功能是“复杂得令人难以置信的运动路径”,或者说是神经可塑性——大脑适应经验和损伤的方式。

和其他研究人员一样,Morton-Hayward检测这些蛋白质的常用工具是质谱法,她目前正在使用从埋葬在19世纪英国济贫院墓地的数百人的大脑中提取的材料。与现代蛋白质研究一样,基本前提是:提取蛋白质,使用酶消化,然后在质谱仪中粉碎它们,并使用软件查看片段产生的模式或光谱,并与参考蛋白质进行匹配。这显然也是佩佐德的下一个工具。

使用质谱仪,现在可以从古代组织的化学环境中提取碎片蛋白质的序列,也可以探索每个组织的蛋白质含量是如何变化的——这是研究蛋白质组而不是基因组的好处之一。专家们得到的大脑分子组与骨骼的分子组非常不同,骨骼的分子组主要由胶原蛋白主导,或者是粪便(见下面的粪便蛋白质组)。

粪便蛋白质组

就像大脑一样,粪化石(保存下来的粪便)往往没有得到充分的识别和报道——就粪便而言,可能是由于一些原因研究人员谨小慎微.然而,最近Hendy的团队用质谱仪分析300岁左右的雪橇狗粪便中的蛋白质来自阿拉斯加土著社区她说,在寒冷的环境下保存下来的沉积物“闻起来仍然像粪便”。他们通过一种快速、廉价的质谱仪技术——“肽质指纹”——分析狗狗粪便中的小鱼骨碎片,就能判断出狗狗吃的是哪种鱼。这种技术根据狗狗的胶原蛋白成分产生的特定模式,为狗狗生成一个“条形码”。

显示阿拉斯加努纳勒克遗址位置的地图和本研究中分析的古粪便图片

来源:©2021 Anne Kathrine W Runge等人

谁知道你能从保存的粪便中发现这么多?

然而,为了深入研究粪便蛋白质组本身,他们使用了液相色谱串联质谱(LC-MS /MS),在向收集器发射蛋白质片段之前,通过色谱分离出蛋白质片段。通过这种方法,他们在古代粪便中鉴定出56种不同的狗和鱼蛋白质,从消化蛋白质到来自鱼内脏、肌肉和鱼子的蛋白质。这些发现带来了用DNA无法实现的见解:例如,这些粪便可能来自夏天,当时狗狗吃的是鲑鱼季节性洄洄期捕获的鱼的内脏和鱼子。

蛋白质的问题

除了大脑蛋白质,你还能在人脑中找到什么呢?2013年,一个欧洲团队使用了LC-MS来研究Ötzi冰人大脑的组织样本这是一具保存完好的男子尸体,他于5300年前死于阿尔卑斯山,体内提取出500多种不同的蛋白质。其中一些与压力和出血有关,这使得研究人员提出了Ötzi死于头部受伤的新理论。当然,这名约克郡男子的死亡方式不是问题,但质谱仪的结果令人着迷:总共有783种蛋白质匹配,这对如此古老的软组织来说是一场胜利。莫顿-海沃德指出:“他们实际上设法从迄今为止调查过的任何考古材料中恢复了最丰富的古蛋白质组。”在他们鉴定的分子中,又有三种软软的蛋白质:神经丝、GFAP和MBP。

冰人奥兹的木乃伊

来源:©Andrea Solero/法新社/盖蒂图片社

一个5000多年前死去的男人的尸体,被称为Ötzi,已经用同样的技术进行了研究

不过,总的来说,进展相当缓慢。作为一名临床医生,佩佐德在业余时间从事这个项目,他不断遇到奇怪的结果。首先,他从约克郡男子的组织中提取出了一种无法穿透的棕色淤泥,他怀疑这是蛋白质,但在测试中无法获得。与此同时,在他放置腐烂一年的一些组织样本中,他看到了与他预期相反的结果——随着组织腐烂,蛋白质水平并没有下降,而是上升了。所以一方面蛋白质缺失,另一方面蛋白质出现在不该出现的地方。

有趣的是,莫顿-海沃德说,她维多利亚时代的大脑数据中还缺少了一些东西。质谱分析只匹配了大约一半的MBP蛋白序列;尽管她的样本比佩佐德的要年轻得多,但n端半部分在她的样本中“基本缺失”。她说,这就好像她的方法“无法获取所有的蛋白质”。她还指出,像MBP和松软的中间细丝这样的蛋白质有聚集和形成斑块的倾向,就像各种形式的痴呆症一样。

大脑不断缩小,但这些蛋白质仍然保存着细胞的结构

这种聚合似乎可以解开这两个谜题。佩佐德最终得出结论,他的样本中充满了聚集的蛋白质,这些蛋白质正在慢慢地自行散开。因此,每次他对腐烂的样本进行抗体测试时,他发现的抗体比以前多,因为发现了更多的抗体附着点。他推断,棕色淤泥中一定也含有聚集的蛋白质,这就解释了为什么他无法接触到它。2020年,佩佐德终于发表了一个理论,解释了是什么让被砍头的人的大脑免于分解。这是第一个表明蛋白质聚集可能有助于保存古代脑组织的研究。“这就是这些蛋白质的诀窍,”佩佐德说。“大脑会不断缩小,但这些蛋白质仍然保存着细胞的结构。”

莫顿-海沃德说,她很想看看能否复制蛋白质聚集和分解的这一发现,也许最初是在现代脑组织中。但是如果聚集确实在维多利亚人和约克郡人的大脑中都起了作用,那么为什么不是所有人的大脑都以这种方式保存下来呢?据推测,所有这些都含有必要的分子成分。一种理论可能集中在神经退行性疾病的影响上,如痴呆症,与蛋白质聚集和斑块形成有关。在济贫院,由于贫困,这种疾病可能更为普遍。

根据莫顿-海沃德的说法,这种聚集过程是自发的,而不是由酶驱动的,甚至可能在人死后还会继续,因此在数百年或数千年的时间里,一些非常顽固的斑块会形成,即使在最年长的百岁老人身上也观察不到这样的斑块。她说:“这让我感到非常兴奋。”她暗示,大量死亡已久的大脑实际上可以加深我们对某些神经疾病所涉及的分子途径的理解。

生物信息学财源滚滚

至于这位命运多舛的约克郡男子,佩佐德已经计划对他的大脑蛋白质组进行更彻底的调查——专门寻找神经退行性疾病的分子特征。他认为,一些迹象存在于他们已经拥有的质谱数据中,但由于他们的分析具有高度的统计严谨性,他们最初确定的一些蛋白质序列不得不被丢弃。正如莫顿-海沃德所指出的,这是一个选择适当阈值的例子,用于将你的蛋白质与软件提供的参考蛋白质进行模式匹配:“一个游戏”,但有一个置信区间。你是否说“snap”取决于你认为牌必须匹配的程度。如果你将snap的阈值设置得太低,那么你就可以处理一个蛋白质序列,并将其与错误的参考序列匹配,而在佩佐德的例子中,他想知道这个阈值是否设置得太高了。

然而,数据处理不仅仅是阈值设置。作为Frido威尔克丹麦哥本哈根大学的教授解释说,在过去几年里,真正推动古蛋白质组学向前发展的是生物信息学方面的进步,而不是蛋白质提取方面的进步。他说:“我认为这方面实际上是检索更多蛋白质序列的核心,能够以更高的覆盖率和更高的可靠性重建序列,同时也能找到更多的蛋白质。”

这是一个快速游戏,但有一个置信区间

2020年,威尔克的团队发表了两个非常古老的牙釉质样本的蛋白质组数据取自古人类。在这里,他们的蛋白质搜索策略对于处理非常降解的蛋白质至关重要,这些蛋白质有80万年的历史人类祖先它可能是人类和尼安德特人的共同祖先,距今已有180万年直立人.在这样的旧样本中,随着时间的推移,化学变化会在蛋白质中氨基酸的侧链中积累。这些变化实际上用于古蛋白质组学,以验证蛋白质是真正的遗迹这不仅仅是现代污染源污染的结果。然而,它们也会导致所谓的质量转移——从古代和现代蛋白质中获得的质谱之间的差异。对威尔克来说,这意味着建立一个容错水平,以解释他正在检测的非常古老的蛋白质序列的差异。这种被称为翻译后修饰(PTMs)的变化也存在于约克郡男子的蛋白质中。

Morton-Hayward还对优化蛋白质鉴定的这些“下游”方面有浓厚的兴趣。她解释说,即使数据已经收集和上传,也可以通过对软件设置进行轻微调整来提高蛋白质的回收率。例如,提供更多关于蛋白质如何被消化的信息,并考虑由时间本身引起的“消化”,告诉软件寻找不同种类的片段。她说:“这大大增加了你的搜索空间。”

佩佐德说,如果他们要真正解决被斩首的约克郡男子的案子,他需要掌握的是软件方面的事情。是不是某种神经退行性疾病影响了他大脑中的蛋白质聚集?这种疾病的影响会导致蛋白质和组织被保存2600年吗?只有更多的时间——以及更壮观的质谱仪结果——才能告诉我们答案。另一种解释则更为可怕。根据这名男子大脑中保存蛋白质的分布情况,以及用来解剖大脑的刀的腐蚀情况,他的头可能在死后不久就被扔进了一桶酸中——这是另一种保存蛋白质的绝佳方法。

海莉·贝内特是英国布里斯托尔的科学作家