點亮大腦需幾步？北大李毓龍團(tuán)隊持續(xù)突破探針開發(fā)
“科學(xué)的進(jìn)步取決于新技術(shù)、新發(fā)現(xiàn)和新想法” | 圖源：pixabay.com
一種叫做內(nèi)源性大麻素的化學(xué)物質(zhì)，對人的發(fā)育、睡眠周期、能量代謝、學(xué)習(xí)和記憶等諸多生理過程非常重要，但要在活體中檢測它一直很困難。
最近，專注于神經(jīng)遞質(zhì)探針研究的李毓龍團(tuán)隊，開發(fā)出專門針對內(nèi)源性大麻素的靈敏熒光探針，使得實時追蹤這一物質(zhì)變得容易起來。
撰文 | 李可
責(zé)編 | 計永勝
● ● ●
人類大腦由八百億個神經(jīng)元組成，后者又通過數(shù)萬億個突觸組成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在這個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元突觸末梢會釋放神經(jīng)遞質(zhì)（Neurotransmitter），如乙酰膽堿、多巴胺等，作用于神經(jīng)元或效應(yīng)細(xì)胞膜上的受體，發(fā)揮信息傳遞的功能。同時，神經(jīng)元還會產(chǎn)生另一類化學(xué)物質(zhì)，它們不直接傳遞信息，而是通過間接調(diào)制神經(jīng)遞質(zhì)的量及活動水平，以增強(qiáng)或削弱信息傳遞效應(yīng)，這些化學(xué)物質(zhì)被稱為神經(jīng)調(diào)質(zhì)（Neuromodulator）。
內(nèi)源性大麻素就是其中重要一員，其廣泛分布于周圍神經(jīng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。與儲存在突觸囊泡并由突觸前末端釋放的經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)不同，內(nèi)源性大麻素通常從突觸后膜產(chǎn)生并釋放，然后逆行到突觸前末端并激活大麻素受體，它的激活通常會抑制一些神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。
圖1 大麻素受體在人體組織器官的分布 | 圖源：參考文獻(xiàn)[1]
內(nèi)源性大麻素（Endocannabinoids，eCBs）主要有兩種脂質(zhì)代謝物2-花生四烯酰甘油（2-AG）和花生四烯乙醇胺（AEA），其生物學(xué)功能主要由1型和2型大麻素受體（CB1R和CB2R）的激活來介導(dǎo)。它在發(fā)育、情緒狀態(tài)、疼痛、睡眠周期、能量代謝、學(xué)習(xí)和記憶等諸多生理過程中都發(fā)揮著重要的作用。多項研究表明，內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)的失調(diào)與多種疾病有關(guān)，包括神經(jīng)精神疾病、神經(jīng)退行性疾病、癲癇和癌癥等。鑒于內(nèi)源性大麻素在體內(nèi)分布的廣泛性和生理功能的多樣性，對其深入探究已成為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病一個潛力巨大的研究方向。
要更好地研究內(nèi)源性大麻素在生理、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，研究人員一直以來都缺乏對內(nèi)源性大麻素動態(tài)變化的精確記錄手段。應(yīng)用新開發(fā)的靈敏、特異的內(nèi)源性大麻素探針以光學(xué)成像方式探究內(nèi)源性大麻素釋放及其調(diào)控將打破這個困擾研究人員多年的瓶頸。
2021年11月12日，《自然·生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志在線發(fā)表了北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李毓龍團(tuán)隊關(guān)于內(nèi)源性大麻素特異性熒光探針的開發(fā)與應(yīng)用的研究論文。這是該團(tuán)隊在連續(xù)開發(fā)出重要神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿探針、多巴胺探針、去甲腎上腺素探針、腺苷探針和五羥色胺探針之后 [3-7]，運(yùn)用對G蛋白偶聯(lián)受體的改造在神經(jīng)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)檢測中的再次成功應(yīng)用。
圖2 論文截圖
該類研究利用可與神經(jīng)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)相結(jié)合的G蛋白偶聯(lián)受體作為探針的骨架，把對結(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)/調(diào)質(zhì)結(jié)合引發(fā)構(gòu)象變化便會被轉(zhuǎn)換為熒光信號。研究者結(jié)合現(xiàn)代成像技術(shù)，就能看到神經(jīng)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)濃度實時變化情況。在此基礎(chǔ)上，研究者針對不同的神經(jīng)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)還對探針進(jìn)行了全方位的優(yōu)化，使具有極高的分子特異性和時空分辨率。該團(tuán)隊將這種高效的內(nèi)源性大麻素探針命名為eCB2.0。
圖3 探針設(shè)計原理 | 圖源：參考文獻(xiàn)[2]
該論文開發(fā)的內(nèi)源性大麻素特異性探針eCB2.0具有極高的靈敏度、特異性、信噪比、動力學(xué)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)內(nèi)源性大麻素的動態(tài)變化。與以往探針一樣，該探針也具有可基因編碼的特性。研究者可以通過轉(zhuǎn)染、病毒注射以及構(gòu)建轉(zhuǎn)基因動物等手段，將eCB2.0表達(dá)在HEK293T人胚胎腎細(xì)胞、神經(jīng)元細(xì)胞、小鼠腦片，以及活體小鼠中。
圖4 eCB2.0可表達(dá)在體外培養(yǎng)的細(xì)胞膜上 | 圖源：參考文獻(xiàn)[2]
同時，該探針能夠分別特異性檢測到清醒小鼠腦杏仁核基底外側(cè)和海馬體中由足電擊刺激和奔跑觸發(fā)的內(nèi)源性大麻素的動態(tài)變化。
圖5 eCB2.0可檢測自由運(yùn)動的小鼠大腦杏仁核部位的內(nèi)源性大麻素的動態(tài)變化 | 圖源：參考文獻(xiàn)[2]
此外，在小鼠癲癇模型中，研究人員通過該探針檢測到了小鼠海馬體神經(jīng)元興奮導(dǎo)致的內(nèi)源性大麻素釋放。這些結(jié)論進(jìn)一步證實了其在體內(nèi)應(yīng)用時強(qiáng)大的靈敏度、特異性、信噪比、動力學(xué)和光穩(wěn)定性，并且清楚地展示了內(nèi)源性大麻素探針如何幫助闡明生理和病理過程中的快速內(nèi)源性大麻素動態(tài)。
圖6 新型探針檢測小鼠發(fā)生癲癇時海馬CA1區(qū)內(nèi)源性大麻素的動態(tài)變化 | 圖源：參考文獻(xiàn)[2]
關(guān)于新型內(nèi)源性大麻素探針的未來發(fā)展和應(yīng)用，論文提到，鑒于神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，該探針應(yīng)用的未來研究方向可能包括內(nèi)源性大麻素釋放的細(xì)胞類型的識別、內(nèi)源性大麻素釋放的機(jī)制和時間特性、內(nèi)源性大麻素擴(kuò)散的特征、內(nèi)源性大麻素信號的持續(xù)時間、內(nèi)源性大麻素對亞細(xì)胞元素的影響等。
對這些基本問題的回答，將極大地豐富我們對內(nèi)源性大麻素信號在突觸和神經(jīng)回路水平的機(jī)制和功能的理解。因此，新型探針開啟了內(nèi)源性大麻素研究的新時代，將提供研究者前所未有的、與生理相關(guān)的時空尺度來深入理解這一系統(tǒng)。
已逝諾獎得主、生物學(xué)家 Sydney Brenner 有一句著名的話：科學(xué)的進(jìn)步取決于新技術(shù)、新發(fā)現(xiàn)和新想法。李毓龍常常在報告中引用這句話，他堅信技術(shù)的價值。
目前，斯坦福大學(xué)Ivan Soltesz實驗室已經(jīng)借助這一探針解析了活體動物海馬體內(nèi)源大麻素信號的分子特性和時空動態(tài)，發(fā)現(xiàn)與正常的生理活動相比，癲癇會引起大量2-AG的釋放，而2-AG為長時程的中風(fēng)樣癥狀提供了基礎(chǔ)底物。[8]
不久前，李毓龍在接受Neuron 雜志專訪時表示，他的實驗室接下來將開發(fā)能夠檢測更多化學(xué)信號的探針，也將致力于將這些新工具應(yīng)用到神經(jīng)系統(tǒng)的研究中，包括在生理及疾病環(huán)境下神經(jīng)遞質(zhì)釋放、回收的調(diào)控機(jī)制，以及他們所扮演的具體功能的研究 [9]。
神經(jīng)生物學(xué)家、斯坦福大學(xué)生物系教授駱利群評論說，李毓龍在開發(fā)使用G蛋白偶聯(lián)受體傳感器檢測神經(jīng)遞質(zhì)的探針方面已處于世界領(lǐng)先地位，“他開發(fā)的傳感器已得到廣泛的應(yīng)用。我相信這些新的傳感器將使得新的生物發(fā)現(xiàn)成為可能。”
制版編輯 | 盧卡斯
