連珠炮：北大學(xué)者接連開發(fā)探尋大腦的兩種熒光探針
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撰文 | 李 可（北京林業(yè)大學(xué)博士研究生）
責(zé)編 | 惠家明
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最近，來(lái)自北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的李毓龍課題組，連續(xù)開發(fā)出了兩種特異性神經(jīng)遞質(zhì)探針，分別適用于體外體內(nèi)監(jiān)測(cè)乙酰膽堿和多巴胺信號(hào)。兩種探針具有極高的靈敏度、特異性、信噪比、動(dòng)力學(xué)和光穩(wěn)定性，可以精確檢測(cè)多種動(dòng)物活體的乙酰膽堿或多巴胺變化情況。其優(yōu)異的性能已在十幾種神經(jīng)元以及一些非神經(jīng)細(xì)胞中得到了驗(yàn)證。7月9日和7月12日，《自然·生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）和《細(xì)胞》（Cell）分別報(bào)告了這兩種技術(shù)。
“這無(wú)疑是神經(jīng)科學(xué)研究的一個(gè)突破，可能會(huì)揭示令人興奮的發(fā)現(xiàn)。我們迫不及待地想在我們的系統(tǒng)中測(cè)試它，而類似的方法可以用來(lái)設(shè)計(jì)其他神經(jīng)遞質(zhì)的探針。” 密歇根大學(xué)教授、神經(jīng)科學(xué)專家許獻(xiàn)忠（Shawn Xu）在評(píng)論新型乙酰膽堿探針時(shí)說(shuō)：“我很興奮，期待看到更多這樣的探針開發(fā)。”
神經(jīng)遞質(zhì)是人體內(nèi)部的“信使”，負(fù)責(zé)為神經(jīng)細(xì)胞傳遞信號(hào)，在肢體運(yùn)動(dòng)與思維活動(dòng)中不可或缺。其中，乙酰膽堿是人類發(fā)現(xiàn)的第一種神經(jīng)遞質(zhì)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)肌肉收縮、激素分泌、學(xué)習(xí)記憶等過(guò)程。一旦它的信號(hào)傳遞失常，人們就有可能被先天性肌肉萎縮、糖尿病等疾病纏身。多巴胺也是極其重要的神經(jīng)遞質(zhì),參與調(diào)控我們的學(xué)習(xí)記憶、控制運(yùn)動(dòng)、感受褒獎(jiǎng)，而帕金森癥、多動(dòng)癥的發(fā)病原因可能就與多巴胺的失調(diào)有關(guān)。
要更好地研究這些神經(jīng)遞質(zhì)在生理、病理過(guò)程中扮演的角色，研究人員需要實(shí)時(shí)檢測(cè)活體內(nèi)特定腦區(qū)的神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)變化，看清它們的“一舉一動(dòng)”。然而，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段不夠靈敏，很難滿足研究人員的需求。
這一新型探針的原理在于，其利用神經(jīng)遞質(zhì)的人源G蛋白偶聯(lián)受體作為探針的骨架，并把對(duì)結(jié)構(gòu)變化敏感的熒光蛋白（cpEGFP）嵌入受體。受體與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合后會(huì)引發(fā)構(gòu)象變化，而構(gòu)象變化則會(huì)被轉(zhuǎn)換為熒光信號(hào)。接下來(lái)，研究者結(jié)合現(xiàn)有的成像技術(shù)，就能看到神經(jīng)遞質(zhì)濃度實(shí)時(shí)變化情況。換句話說(shuō)，新型探針把“難以捉摸”的神經(jīng)遞質(zhì)變化情況變成了直觀、易測(cè)的熒光信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，研究者還對(duì)探針進(jìn)行了全方位的優(yōu)化，使具有極高的分子特異性和時(shí)空分辨率（時(shí)間上達(dá)到毫秒級(jí)，空間上可精確至單細(xì)胞）。
7月12日，Cell發(fā)表李毓龍實(shí)驗(yàn)室關(guān)于多巴胺探針的文章，并將之作為亮點(diǎn)推薦。
“我們用這個(gè)原理開發(fā)了一系列的神經(jīng)遞質(zhì)探針，說(shuō)明這個(gè)方法具有很好的可推廣性，為今后大規(guī)模開發(fā)其他神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)調(diào)質(zhì)探針奠定了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)?！崩钬过埾颉吨R(shí)分子》表示。
由于該類探針具有可基因編碼的特性，研究者可以通過(guò)轉(zhuǎn)染、病毒注射以及構(gòu)建轉(zhuǎn)基因動(dòng)物等手段，將新型探針表達(dá)在細(xì)胞、小鼠腦片，以及活體果蠅、斑馬魚及小鼠中。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使該探針長(zhǎng)時(shí)間存留在動(dòng)物體內(nèi)，也不會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響。用電刺激小鼠腦片時(shí)，新型探針可以敏銳檢測(cè)到其間的多巴胺釋放。并且，當(dāng)活體的動(dòng)物大腦受到嗅覺(jué)刺激、視覺(jué)刺激，或是進(jìn)行學(xué)習(xí)記憶、交配等行為時(shí)，其相關(guān)的多巴胺信號(hào)變化都能被探針顯示出來(lái)。
“相比于傳統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)檢測(cè)方法，新探針擁有基因編碼、高靈敏性、高特異性、快速的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)等優(yōu)勢(shì)?！?span style="text-align: justify;">乙酰膽堿探針研究論文的共同第一作者、北京大學(xué)博士井淼介紹說(shuō)。
多巴胺探針研發(fā)論文的共同第一作者、李毓龍實(shí)驗(yàn)室博士研究生孫芳妙補(bǔ)充道：“傳統(tǒng)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)于多個(gè)神經(jīng)元感受神經(jīng)遞質(zhì)信息的記錄，并且難以達(dá)到細(xì)胞特異性和足夠的時(shí)空分辨率，而新型探針可以做到?！?/p>
美國(guó)密歇根大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授葉冰（Bing Ye）介紹說(shuō)：“以前的幾種方法存在兩類主要局限：一類是方法的時(shí)空分辨率過(guò)低；另一類則在于只能檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞，因而無(wú)法得到某一腦區(qū)的整體觀。而該類探針的出現(xiàn)，解決了這兩個(gè)看似不可調(diào)和的局限?！?/p>
對(duì)于該類探針的應(yīng)用前景，美國(guó)科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)教授駱利群評(píng)論說(shuō)：“我認(rèn)為這是一個(gè)重要的進(jìn)步，將被社會(huì)廣泛使用。”
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、神經(jīng)生物學(xué)家畢國(guó)強(qiáng)則表示：“這是一個(gè)大家期待許久的重要突破。我非常期待大家應(yīng)用這個(gè)工具取得新的研究成果。”他談到，研究者巧妙地利用了天然的神經(jīng)遞質(zhì)受體與熒光蛋白結(jié)合，再利用大規(guī)模突變篩選，研發(fā)出這個(gè)能夠直接把神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為熒光信號(hào)的高效探針，為整個(gè)領(lǐng)域提供了一個(gè)“非?？帷倍矣杏玫墓ぞ?。
關(guān)于未來(lái)的研究計(jì)劃，李毓龍表示，他們會(huì)綜合受體的結(jié)構(gòu)信息，利用分子生物學(xué)手段，繼續(xù)提升探針的信噪比。接下來(lái)，他們將致力于開發(fā)包括神經(jīng)肽在內(nèi)的多種神經(jīng)遞質(zhì)、調(diào)質(zhì)的探針，甚至是不同光譜范圍或是基于生物發(fā)光的探針，以滿足同行們更多的研究需求。
參考文獻(xiàn)：
1. Jing M, Zhang P, Wang G, et al. A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies.2018. Nature Biotechnology.
2. Sun F.M, Zeng J.Z, Jing M, et al. A Genetically Encoded Fluorescent Sensor Enables Rapid and Specific Detection of Dopamine in Flies, Fish, and Mice. 2018. Cell.
制版編輯 | 楊梟
