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我国学者成功开发基因编码的神经递质荧光探针提供在体实时记录神经活动的新方法

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图 多巴胺探针(GRABDA)原理和应用。可基因编码的基于G蛋白偶联受体的GRABDA,将对结构变化敏感的荧光蛋白嵌入人源多巴胺受体,使多巴胺这一化学信号转化为荧光信号,结合现有的成像技术,即可实时监测多巴胺浓度的动态变化情况。可应用于果蝇、斑马鱼和小鼠等自由活动的模型动物,具有极高的时空分辨率。

  在国家自然科学基金面上项目(项目编号31671118)等的资助下,北京大学李毓龙研究组在神经递质荧光探针的开发方面取得重要进展,先后报道了可基因编码的乙酰胆碱荧光探针和多巴胺荧光探针的研究成果。其中乙酰胆碱荧光探针以“A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies”(一种可用于体外和体内研究的基因编码的乙酰胆碱荧光探针)为题,于2018年7月9日在Nature Biotechnology(自然•生物技术)上在线发表,论文链接:https://www.nature.com/articles/nbt.4184;多巴胺荧光探针以“A genetically-encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice”(一种可用于快速、特异性在果蝇、鱼和小鼠中检测多巴胺的基因编码的多巴胺荧光探针)为题,于2018年7月12日在Cell(细胞)上在线发表,论文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18) 30845-6。

  人的大脑由数百亿的神经元组成,不同种类的神经元经过或远或近的投射,通过数量更加庞大的突触与其他神经元组成复杂的神经网络进行细胞间的信息交流,从而实现感知、决策和运动等神经功能。神经递质是介导神经元信息传递的一类化学活性小分子,在突触传递中扮演着“信使”的作用。其中,乙酰胆碱和多巴胺作为两种重要的神经递质,与神经系统的多种功能密切有关。为更好地研究乙酰胆碱和多巴胺在生理和病理过程中的作用,研究人员需要实时监测活体动物特定脑区的乙酰胆碱、多巴胺等化学信号变化,然而现有的检测手段并不能满足研究人员的需求。为了解决这个问题,李毓龙研究组将对结构变化敏感的荧光蛋白(cpEGFP)嵌入人源受体,使乙酰胆碱、多巴胺这类化学信号转化为荧光信号,结合现有的成像技术,即可实时监测乙酰胆碱、多巴胺浓度的动态变化情况。该方法具有极高的分子特异性和时空分辨率。由于该探针具有可基因编码的特性,研究人员通过转染、病毒注射以及构建转基因动物等手段,将探针表达在细胞、小鼠脑片或者活体果蝇、斑马鱼和小鼠中。利用乙酰胆碱探针,他们在活体果蝇的嗅觉系统中检测到内源性乙酰胆碱在嗅觉信息编码中的时空特异性分布及功能,在小鼠视觉皮层神经元中检测到乙酰胆碱在注意性视觉刺激时的动态变化;利用多巴胺探针,他们检测到了电刺激小鼠脑片引发的多巴胺释放,并在活体果蝇、斑马鱼和小鼠的大脑中分别检测到与嗅觉刺激、视觉刺激、学习记忆、交配行为相关的多巴胺信号变化。

乙酰胆碱探针与多巴胺探针都是基于人源神经递质受体,将神经递质结合受体所引发的受体构象变化转化为荧光信号的变化,具有可推广性。这两项工作为今后大规模开发其他神经递质、神经调质探针奠定了扎实的研究基础。

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