神經(jīng)遞質精確追蹤三部曲：北大李毓龍團隊繼續(xù)突破
圖1. 李毓龍實驗室發(fā)明的去甲腎上腺素特異性探針在多個體系中的應用。圖源：參考文獻1
撰文 | 李 可
責編 | 計永勝
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人的大腦由數(shù)十億的神經(jīng)元組成，后者又通過數(shù)萬億的突觸組成復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡。神經(jīng)遞質是突觸間傳遞信息的重要“信使”，在神經(jīng)元與細胞之間的通訊交流中起到關鍵的媒介作用。
去甲腎上腺素（Norepinephrine，NE）是一種重要的單胺類神經(jīng)遞質，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和交感神經(jīng)系統(tǒng)中都參與諸多必要的生理過程，如感覺信號的調(diào)節(jié)、注意力的調(diào)控、清醒與睡眠、學習與記憶等。去甲腎上腺素釋放或信號傳遞的受損與一系列的精神疾病和神經(jīng)退行性病變息息相關。
要更好地研究去甲腎上腺素在生理、病理過程中扮演的角色，研究人員需要實時監(jiān)測其在活體內(nèi)特定腦區(qū)的特異信號變化，看清它的“一舉一動”。然而，受限于傳統(tǒng)檢測方法的低分子特異性、低時空分辨率及其可能帶來的組織損傷，現(xiàn)如今仍然缺乏對去甲腎上腺素動態(tài)變化的精確記錄手段。而應用新開發(fā)的靈敏、特異的去甲腎上腺素探針以光學成像方式探究去甲腎上腺素釋放及其調(diào)控將打破這個困擾多年的瓶頸。
3月25日，神經(jīng)生物學期刊《神經(jīng)元》（Neuron）在線發(fā)表了北京大學生命科學學院李毓龍團隊關于去甲腎上腺素特異性熒光探針的開發(fā)與應用的研究論文 [1]。這是該團隊在連續(xù)開發(fā)出乙酰膽堿探針和多巴胺探針之后 [2, 3]，運用G蛋白偶聯(lián)受體的改造在重要神經(jīng)遞質檢測中的又一次成功應用。
圖2. 去甲腎上腺素探針的設計。圖源：參考文獻1
該研究利用可與神經(jīng)遞質相結合的G蛋白偶聯(lián)受體作為探針的骨架，并把對結構變化敏感的熒光蛋白（cpEGFP）嵌入受體。這樣的話，受體與神經(jīng)遞質結合引發(fā)構象變化便會被轉換為熒光信號（圖2）。研究者結合現(xiàn)代成像技術，就能看到神經(jīng)遞質濃度實時變化情況。在此基礎上，研究者還對探針進行了全方位的優(yōu)化，使具有極高的分子特異性和時空分辨率。
該論文開發(fā)的去甲腎上腺素特異性探針具有極高的靈敏度、特異性、信噪比、動力學和光穩(wěn)定性，可以高時空分辨率地精確檢測動物活體內(nèi)去甲腎上腺素的動態(tài)變化。與此前研發(fā)的多巴胺探針相比，該去甲腎上腺素熒光探針具有極高的分子選擇性，可完全區(qū)分生理濃度下結構十分相似的去甲腎上腺素與多巴胺，這是傳統(tǒng)的電化學檢測方法所不能達到的。
值得一提的是，由于該類探針具有可基因編碼的特性，研究者可以通過轉染、病毒注射以及構建轉基因動物等手段，將新型探針表達在細胞、小鼠腦片，以及活體斑馬魚及小鼠中。同時，該研究團隊與中科院上海神經(jīng)生物研究所杜久林、美國紐約大學 Dayu Lin及美國國立衛(wèi)生研究院的 Guohong Cui 等團隊的合作發(fā)現(xiàn)，該探針能夠檢測清醒斑馬魚中腦由視覺刺激引發(fā)的去甲腎上腺素釋放，以及在自由移動小鼠的藍斑和下丘腦中特異性檢測光遺傳和行為觸發(fā)的去甲腎上腺素動態(tài)變化，進一步證實了其在體內(nèi)應用時強大的靈敏度、特異性、信噪比、動力學和光穩(wěn)定性。
美國密歇根大學生命科學學院教授葉冰介紹說：“以前的幾種方法主要存在兩種局限：一是方法的時空檢測區(qū)域大，但分辨率過低；另一類則只能檢測單個細胞，因而無法得到某一腦區(qū)的整體信息。而該類探針的出現(xiàn)，解決了這兩個看似不可調(diào)和的局限。”
關于未來的研究方向，論文的第一作者馮杰思博士談到：“我們正在發(fā)展新一代的去甲腎上腺素探針，具有更高的信噪比及靈敏度，同時我們還將拓展這一方法至其他重要的神經(jīng)遞質及調(diào)質，從而點亮整個大腦”。
參考文獻：
1．Feng, J., Zhang, C., Lischinsky,J., Jing, M., Zhou, J., Wang, H., ... & *Li, Y. (2019). A genetically encoded fluorescent sensor for rapid and specific in vivo detection of norepinephrine. Neuron.
2.Jing, M., Zhang, P., Wang, G., Feng, J., Mesik, L., Zeng, J., ... *Zhu, JJ& *Li, Y. (2018). A genetically-encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies. Nature Biotechnology.
3.Sun, F., Zeng, J., Jing, M., Zhou, J., Feng, J., Owen, S., ... & *Li, Y.(2018). A genetically-encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice. Cell.
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