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北京腦中心合作PI李毓龍課題組開發新型NE熒光探針 | Neuron

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2019-03-26

2019年3月25日,學術期刊Neuron在線發表北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯合中心、PKU-IDG/麥戈文腦科學研究所、北京腦科學與類腦研究中心李毓龍研究組題為“A genetically encoded fluorescent sensor for rapid and specific in vivo detection of norepinephrine”的研究論文。

該研究中,李毓龍研究組首次成功開發了新型、可基因編碼的去甲腎上腺素熒光探針,并將其成功應用于斑馬魚和小鼠中檢測內源去甲腎上腺素的動態變化。該探針可特異性地區分結構相似的去甲腎上腺素與多巴胺,將成為研究去甲腎上腺素相關神經環路的重要工具。

去甲腎上腺素(Norepinephrine, NE)作為一種重要的單胺類神經遞質,在中樞神經系統和交感神經系統中都參與諸多必要的生理過程,如感覺信號的調節、注意力的調控、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退行性病變息息相關。因此,在復雜神經環路中以高時空分辨率的方式檢測去甲腎上腺素的動態分布對完整解析去甲腎上腺素在生理及病理條件下的功能和調節尤為重要。然而受限于現有技術的靈敏度、特異性、時空分辨率和組織創傷性等,無法實現對它在體分布的精確檢測。

為了解決以上的技術瓶頸,李毓龍研究組開發并優化了一類基于G蛋白偶聯受體激活(GPCR Activation Based)的去甲腎上腺素熒光探針(GRABNE)。通過在人源去甲腎上腺素受體特定位置嵌入對結構變化敏感的熒光蛋白(cpEGFP),使去甲腎上腺素這一化學信號轉化為熒光信號,結合現有的成像技術,即可實時監測去甲腎上腺素濃度的動態變化情況。通過對探針全方位的優化,開發出具有低/高親和力的兩種版本的熒光探針(分別命名為NE1m和NE1h),除均具有極高的分子特異性和時空分辨率外,還可分別用于檢測局部突觸傳遞(synaptic transmission)和非局部非突觸傳遞(volume transmission)的去甲腎上腺素釋放。

圖片1.png

基于G蛋白偶聯受體的去甲腎上腺素探針


利用該可遺傳編碼探針,李毓龍研究組通過轉染、病毒注射以及構建轉基因動物等手段,可將探針表達在細胞、小鼠腦片、斑馬魚和小鼠中。通過構建轉基因斑馬魚系在斑馬魚大腦神經系統中廣泛表達GRABNE1m探針可成功檢測清醒斑馬魚中腦由視覺刺激引發的與時間鎖定的特異性NE釋放,通過稀疏標記去甲腎上腺素探針還可記錄到單細胞分辨率下重復視覺刺激引發的NE釋放信號。通過病毒介導的表達,使用激光脈沖對LC-NE神經元的光遺傳學激活可靠地引起自由移動小鼠LC的光纖記錄信號中GRABNE1m熒光的增加。在小鼠強迫游泳測試和尾部懸吊測試(兩者均為經典的應激性行為)期間,觀察到由應激行為觸發的GRABNE1m熒光顯著增加,揭示該行為與NE動態變化的關系。

李毓龍研究員為本文的通訊作者。李毓龍研究組博士生馮杰思為第一作者;井淼、王歡、張雅君、董傲、武照伐、吳昊為此項研究成果做出了重要貢獻。該工作的合作者有:中國科學院神經科學研究所的杜久林研究組;紐約大學的林大宇研究組;美國國立衛生研究院的崔國紅研究組;弗吉尼亞大學醫學院朱駿研究組;南加州大學的Andrew S. Hires研究組。本工作獲得了北京大學膜生物學國家重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)、國家自然科學基金、青年千人計劃、美國腦計劃對李毓龍研究組的大力支持。

李毓龍課題組一直以來致力于系統性地發展前沿神經生物學探針技術,用于研究復雜神經細胞之間的多種通訊連接,2018年已經率先在世界上發展了乙酰膽堿(Jing et al., Nature Biotechnology, 2018)及多巴胺探針(Sun et al., Cell, 2018),2019年又報道了用于定位電突觸的熒光探針(Wu et al., eLife, 2019),這次報道的去甲腎上腺素探針,是這一系統性工作的又一重要環節,為今后開發其他神經遞質、神經調質探針奠定了扎實的研究基礎。


論文鏈接:https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(19)30172-2