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我國學者成功開發基因編碼的神經遞質熒光探針提供在體實時記錄神經活動的新方法

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圖 多巴胺探針(GRABDA)原理和應用。可基因編碼的基于G蛋白偶聯受體的GRABDA,將對結構變化敏感的熒光蛋白嵌入人源多巴胺受體,使多巴胺這一化學信號轉化為熒光信號,結合現有的成像技術,即可實時監測多巴胺濃度的動態變化情況。可應用于果蠅、斑馬魚和小鼠等自由活動的模型動物,具有極高的時空分辨率。

  在國家自然科學基金面上項目(項目編號31671118)等的資助下,北京大學李毓龍研究組在神經遞質熒光探針的開發方面取得重要進展,先后報道了可基因編碼的乙酰膽堿熒光探針和多巴胺熒光探針的研究成果。其中乙酰膽堿熒光探針以“A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies”(一種可用于體外和體內研究的基因編碼的乙酰膽堿熒光探針)為題,于2018年7月9日在Nature Biotechnology(自然•生物技術)上在線發表,論文鏈接:https://www.nature.com/articles/nbt.4184;多巴胺熒光探針以“A genetically-encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice”(一種可用于快速、特異性在果蠅、魚和小鼠中檢測多巴胺的基因編碼的多巴胺熒光探針)為題,于2018年7月12日在Cell(細胞)上在線發表,論文鏈接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18) 30845-6。

  人的大腦由數百億的神經元組成,不同種類的神經元經過或遠或近的投射,通過數量更加龐大的突觸與其他神經元組成復雜的神經網絡進行細胞間的信息交流,從而實現感知、決策和運動等神經功能。神經遞質是介導神經元信息傳遞的一類化學活性小分子,在突觸傳遞中扮演著“信使”的作用。其中,乙酰膽堿和多巴胺作為兩種重要的神經遞質,與神經系統的多種功能密切有關。為更好地研究乙酰膽堿和多巴胺在生理和病理過程中的作用,研究人員需要實時監測活體動物特定腦區的乙酰膽堿、多巴胺等化學信號變化,然而現有的檢測手段并不能滿足研究人員的需求。為了解決這個問題,李毓龍研究組將對結構變化敏感的熒光蛋白(cpEGFP)嵌入人源受體,使乙酰膽堿、多巴胺這類化學信號轉化為熒光信號,結合現有的成像技術,即可實時監測乙酰膽堿、多巴胺濃度的動態變化情況。該方法具有極高的分子特異性和時空分辨率。由于該探針具有可基因編碼的特性,研究人員通過轉染、病毒注射以及構建轉基因動物等手段,將探針表達在細胞、小鼠腦片或者活體果蠅、斑馬魚和小鼠中。利用乙酰膽堿探針,他們在活體果蠅的嗅覺系統中檢測到內源性乙酰膽堿在嗅覺信息編碼中的時空特異性分布及功能,在小鼠視覺皮層神經元中檢測到乙酰膽堿在注意性視覺刺激時的動態變化;利用多巴胺探針,他們檢測到了電刺激小鼠腦片引發的多巴胺釋放,并在活體果蠅、斑馬魚和小鼠的大腦中分別檢測到與嗅覺刺激、視覺刺激、學習記憶、交配行為相關的多巴胺信號變化。

乙酰膽堿探針與多巴胺探針都是基于人源神經遞質受體,將神經遞質結合受體所引發的受體構象變化轉化為熒光信號的變化,具有可推廣性。這兩項工作為今后大規模開發其他神經遞質、神經調質探針奠定了扎實的研究基礎。

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