连珠炮：北大学者接连开发探寻大脑的两种荧光探针
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撰文 | 李 可（北京林业大学博士研究生）
责编 | 惠家明
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最近，来自北京大学生命科学学院的李毓龙课题组，连续开发出了两种特异性神经递质探针，分别适用于体外体内监测乙酰胆碱和多巴胺信号。两种探针具有极高的灵敏度、特异性、信噪比、动力学和光稳定性，可以精确检测多种动物活体的乙酰胆碱或多巴胺变化情况。其优异的性能已在十几种神经元以及一些非神经细胞中得到了验证。7月9日和7月12日，《自然·生物技术》（nature biotechnology）和《细胞》（cell）分别报告了这两种技术。
“这无疑是神经科学研究的一个突破，可能会揭示令人兴奋的发现。我们迫不及待地想在我们的系统中测试它，而类似的方法可以用来设计其他神经递质的探针。” 密歇根大学教授、神经科学专家许献忠（shawn xu）在评论新型乙酰胆碱探针时说：“我很兴奋，期待看到更多这样的探针开发。”
神经递质是人体内部的“信使”，负责为神经细胞传递信号，在肢体运动与思维活动中不可或缺。其中，乙酰胆碱是人类发现的第一种神经递质，负责调节肌肉收缩、激素分泌、学习记忆等过程。一旦它的信号传递失常，人们就有可能被先天性肌肉萎缩、糖尿病等疾病缠身。多巴胺也是极其重要的神经递质,参与调控我们的学习记忆、控制运动、感受褒奖，而帕金森症、多动症的发病原因可能就与多巴胺的失调有关。
要更好地研究这些神经递质在生理、病理过程中扮演的角色，研究人员需要实时检测活体内特定脑区的神经递质信号变化，看清它们的“一举一动”。然而，传统的检测手段不够灵敏，很难满足研究人员的需求。
这一新型探针的原理在于，其利用神经递质的人源g蛋白偶联受体作为探针的骨架，并把对结构变化敏感的荧光蛋白（cpegfp）嵌入受体。受体与神经递质结合后会引发构象变化，而构象变化则会被转换为荧光信号。接下来，研究者结合现有的成像技术，就能看到神经递质浓度实时变化情况。换句话说，新型探针把“难以捉摸”的神经递质变化情况变成了直观、易测的荧光信号。在此基础上，研究者还对探针进行了全方位的优化，使具有极高的分子特异性和时空分辨率（时间上达到毫秒级，空间上可精确至单细胞）。
7月12日，cell发表李毓龙实验室关于多巴胺探针的文章，并将之作为亮点推荐。
“我们用这个原理开发了一系列的神经递质探针，说明这个方法具有很好的可推广性，为今后大规模开发其他神经递质、神经调质探针奠定了扎实的研究基础。”李毓龙向《知识分子》表示。
由于该类探针具有可基因编码的特性，研究者可以通过转染、病毒注射以及构建转基因动物等手段，将新型探针表达在细胞、小鼠脑片，以及活体果蝇、斑马鱼及小鼠中。
实验结果表明，即使该探针长时间存留在动物体内，也不会对其生长状态产生明显影响。用电刺激小鼠脑片时，新型探针可以敏锐检测到其间的多巴胺释放。并且，当活体的动物大脑受到嗅觉刺激、视觉刺激，或是进行学习记忆、交配等行为时，其相关的多巴胺信号变化都能被探针显示出来。
“相比于传统的神经递质检测方法，新探针拥有基因编码、高灵敏性、高特异性、快速的动力学反应等优势。”乙酰胆碱探针研究论文的共同第一作者、北京大学博士井淼介绍说。
多巴胺探针研发论文的共同第一作者、李毓龙实验室博士研究生孙芳妙补充道：“传统手段无法实现同时对于多个神经元感受神经递质信息的记录，并且难以达到细胞特异性和足够的时空分辨率，而新型探针可以做到。”
美国密歇根大学生命科学学院教授叶冰（bing ye）介绍说：“以前的几种方法存在两类主要局限：一类是方法的时空分辨率过低；另一类则在于只能检测单个细胞，因而无法得到某一脑区的整体观。而该类探针的出现，解决了这两个看似不可调和的局限。”
对于该类探针的应用前景，美国科学院院士、斯坦福大学教授骆利群评论说：“我认为这是一个重要的进步，将被社会广泛使用。”
中国科学技术大学教授、神经生物学家毕国强则表示：“这是一个大家期待许久的重要突破。我非常期待大家应用这个工具取得新的研究成果。”他谈到，研究者巧妙地利用了天然的神经递质受体与荧光蛋白结合，再利用大规模突变筛选，研发出这个能够直接把神经递质信号转换为荧光信号的高效探针，为整个领域提供了一个“非常酷”而且有用的工具。
关于未来的研究计划，李毓龙表示，他们会综合受体的结构信息，利用分子生物学手段，继续提升探针的信噪比。接下来，他们将致力于开发包括神经肽在内的多种神经递质、调质的探针，甚至是不同光谱范围或是基于生物发光的探针，以满足同行们更多的研究需求。
参考文献：
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.
制版编辑 | 杨枭
