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Nature子刊:李毓龙团队开发新型荧光探针,实现在体5-羟色胺动态变化的精确检测

2021年4月5日,北京大学李毓龙实验室在 Nature Neuroscience 期刊在线发表了题为:A genetically encoded sensor for measuring serotonin dynamics 的研究论文,报道了新型基因编码的5-HT荧光探针的开发及其在多种模式生物中的成功应用。


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李毓龙实验室是新型神经递质感受器研发领域的开拓者,近年来已自主研发乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素、腺苷等神经递质或神经调质的高效荧光探针。上述探针已广泛应用于神经环路功能及相关信号分子释放机制等领域的研究。

沿用课题组近年来应用G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor, GPCR)构建荧光探针的策略,李毓龙课题组将内源性5-HT受体与循环重排的绿色荧光蛋白融合,通过一系列蛋白质工程优化,成功开发了新型G蛋白偶联受体激活依赖的GRAB(GPCR-Activation-Based)5-HT荧光探针GRAB5-HT1.0。GRAB5-HT1.0在体外培养的神经元中对5-HT的荧光信号响应幅度接近300%,对5-HT分子具有高度的特异性及亲和力,反应动力学速率可达亚秒级别(图1)

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图1:新型5-HT荧光探针的刻画。(a)GRAB5-HT1.0和GRAB5-HTmut在神经元中的表达以及对5-HT的荧光信号响应。(b)GRAB5-HT1.0在HEK细胞中的动力学特征。(c)GRAB5-HT1.0对5-HT的分子特异性。

为探究GRAB5-HT1.0在不同模式生物中应用的普适性,研究者分别在果蝇和小鼠中对探针功能进行了检测。GRAB5-HT1.0不但能够在活体果蝇大脑中检测到生理刺激所引起的单个神经元的5-HT释放,还可以结合光纤记录系统,在自由活动的小鼠中实时检测睡眠-觉醒过程中5-HT的动态变化。有意思的是,结合双光子成像系统,GRAB5-HT1.0还能长时程在头部固定的小鼠中检测精神兴奋类药物引起的5-HT水平改变(图2)

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图2:新型5-HT探针的应用。(a)GRAB5-HT1.0在果蝇蘑菇体的表达及对气味、腹部电击、外源5-HT的荧光信号响应。(b)GRAB5-HT1.0在自由活动小鼠中检测内源5-HT在睡眠觉醒过程中的动态变化。(b)GRAB5-HT1.0在头部固定的小鼠中检测精神兴奋类药物引起5-HT水平的变化。

新型5-HT荧光探针是进一步探究5-HT系统功能的重要工具,为解析大脑复杂神经环路奠定了方法学基础。同时,该工作也进一步证明课题组采用GPCR激活原理构建荧光探针策略的普适性。我们期待在不久的将来能开发出更多针对不同重要信号分子的荧光探针,为精确解析神经递质和神经调质等重要分子功能开辟新的道路。

北京大学生命科学学院博士生万金霞为第一作者,北京大学生命科学学院李毓龙教授为通讯作者。北京大学博士生李雪霖、钱统瑞、曾健智、邓飞等对文章做出了重要贡献。该工作得到了中科院脑智技术卓越创新中心徐敏实验室、北京脑科学与类脑研究中心井淼实验室、美国弗吉尼亚大学J. Julius Zhu和B. Jill Venton实验室等国内外团队的合作帮助,并得到北京大学膜生物学国家重点实验室、国家自然科学基金、脑科学与类脑研究北方科学中心地方配套科研项目、北大-清华生命科学联合中心及美国脑计划等机构的大力支持。

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41593-021-00823-7


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