神經(jīng)遞質(zhì)精確追蹤三部曲：北大李毓龍團(tuán)隊(duì)繼續(xù)突破
圖1. 李毓龍實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的去甲腎上腺素特異性探針在多個(gè)體系中的應(yīng)用。圖源：參考文獻(xiàn)1
撰文 | 李 可
責(zé)編 | 計(jì)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(guò)數(shù)萬(wàn)億的突觸組成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)遞質(zhì)是突觸間傳遞信息的重要“信使”，在神經(jīng)元與細(xì)胞之間的通訊交流中起到關(guān)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(zhì)，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(guò)程，如感覺(jué)信號(hào)的調(diào)節(jié)、注意力的調(diào)控、清醒與睡眠、學(xué)習(xí)與記憶等。去甲腎上腺素釋放或信號(hào)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(guān)。
要更好地研究去甲腎上腺素在生理、病理過(guò)程中扮演的角色，研究人員需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其在活體內(nèi)特定腦區(qū)的特異信號(hào)變化，看清它的“一舉一動(dòng)”。然而，受限于傳統(tǒng)檢測(cè)方法的低分子特異性、低時(shí)空分辨率及其可能帶來(lái)的組織損傷，現(xiàn)如今仍然缺乏對(duì)去甲腎上腺素動(dòng)態(tài)變化的精確記錄手段。而應(yīng)用新開(kāi)發(fā)的靈敏、特異的去甲腎上腺素探針以光學(xué)成像方式探究去甲腎上腺素釋放及其調(diào)控將打破這個(gè)困擾多年的瓶頸。
3月25日，神經(jīng)生物學(xué)期刊《神經(jīng)元》（Neuron）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(duì)關(guān)于去甲腎上腺素特異性熒光探針的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的研究論文 [1]。這是該團(tuán)隊(duì)在連續(xù)開(kāi)發(fā)出乙酰膽堿探針和多巴胺探針之后 [2, 3]，運(yùn)用G蛋白偶聯(lián)受體的改造在重要神經(jīng)遞質(zhì)檢測(cè)中的又一次成功應(yīng)用。
圖2. 去甲腎上腺素探針的設(shè)計(jì)。圖源：參考文獻(xiàn)1
該研究利用可與神經(jīng)遞質(zhì)相結(jié)合的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。這樣的話，受體與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合引發(fā)構(gòu)象變化便會(huì)被轉(zhuǎn)換為熒光信號(hào)（圖2）。研究者結(jié)合現(xiàn)代成像技術(shù)，就能看到神經(jīng)遞質(zhì)濃度實(shí)時(shí)變化情況。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。
該論文開(kāi)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(dòng)力學(xué)和光穩(wěn)定性，可以高時(shí)空分辨率地精確檢測(cè)動(dòng)物活體內(nèi)去甲腎上腺素的動(dòng)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?zé)晒馓结樉哂袠O高的分子選擇性，可完全區(qū)分生理濃度下結(jié)構(gòu)十分相似的去甲腎上腺素與多巴胺，這是傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測(cè)方法所不能達(dá)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(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，以及活體斑馬魚(yú)及小鼠中。同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海神經(jīng)生物研究所杜久林、美國(guó)紐約大學(xué) Dayu Lin及美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的 Guohong Cui 等團(tuán)隊(duì)的合作發(fā)現(xiàn)，該探針能夠檢測(cè)清醒斑馬魚(yú)中腦由視覺(jué)刺激引發(fā)的去甲腎上腺素釋放，以及在自由移動(dòng)小鼠的藍(lán)斑和下丘腦中特異性檢測(cè)光遺傳和行為觸發(fā)的去甲腎上腺素動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)一步證實(shí)了其在體內(nèi)應(yīng)用時(shí)強(qiáng)大的靈敏度、特異性、信噪比、動(dòng)力學(xué)和光穩(wěn)定性。
美國(guó)密歇根大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授葉冰介紹說(shuō)：“以前的幾種方法主要存在兩種局限：一是方法的時(shí)空檢測(cè)區(qū)域大，但分辨率過(guò)低；另一類則只能檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞，因而無(wú)法得到某一腦區(qū)的整體信息。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>
關(guān)于未來(lái)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(shí)我們還將拓展這一方法至其他重要的神經(jīng)遞質(zhì)及調(diào)質(zhì)，從而點(diǎn)亮整個(gè)大腦”。
參考文獻(xiàn)：
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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