基因編碼的熒光探針，為神經遞質研究增添新利器

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撰文 | 李 可

責編 | 惠家明

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神經遞質是人體內部的「信使」，負責為神經細胞傳遞信號，在肢體運動與思維活動中不可或缺。其中，乙醯膽鹼（ACH）是人類發現的第一種神經遞質，負責調節睡眠、成癮、學習記憶等過程。一旦它的信號傳遞失常，人們就有可能被先天性肌肉萎縮、糖尿病、阿茲海默症等疾病纏身。如所有神經遞質一樣，科學界對乙醯膽鹼精細的調控功能存在很多爭議。而要想解決這些學術分歧，科學家們必須得看清乙醯膽鹼的「一舉一動」。因此，他們需要一種更加靈敏的檢測手段。

最近，北京大學生命科學學院李毓龍團隊成功開發出了一種特異性探針,適用於體外和體內監測乙醯膽鹼信號。該探針具有極高的靈敏度、特異性、信噪比、動力學和光穩定性，其優異的性能在十幾種神經元以及一些非神經細胞中都得到了驗證，可以精確檢測多種動物活體的乙醯膽鹼變化情況。7月2日，《自然生物技術》（Nature Biotechnology）在線發表了這一工作[1]。

「這項成果無疑是神經科學研究的一個突破，是一個強大的工具，可能會揭示令人興奮的發現。我們迫不及待地想在我們的系統中測試它，而類似的方法可以用來設計其他神經遞質的探針。」 密歇根大學教授、神經科學專家許獻忠（Shawn Xu）評論說。「我很興奮，期待看到更多這樣的探針開發。」

新的熒光探針技術之所以能擁有強大的功能，關鍵在於它「借用」了生物體內的神經遞質受體。在漫長的自然演化中，動物普遍採用神經遞質受體來感受化學多樣性的神經遞質。其作用的受體可能定位於細胞膜、細胞質或細胞核內，並且受體本身可歸屬於離子通道、G 蛋白偶聯受體等多種蛋白家族。因此，研究者將目光聚焦在乙醯膽鹼的內源受體上。他們設想：是否可以改造這些受體，令受體在配體結合併構象變化（也就是分子的空間結構發生變化）後能產生熒光反應。在此基礎上，實驗人員則可以通過監測熒光反應來了解神經遞質濃度的動態變化。打個比方，乙醯膽鹼等神經遞質好似送信人，而受體則負責收信。如果能跟這位「收信人」達成協議，讓它每次收到信以後第一時間用熒光信號通知我們，那麼就可以間接知曉乙醯膽鹼等「郵差」的光臨。正是根據這一原理，李毓龍團隊成功研發了乙醯膽鹼的特異性熒光探針，大名GACh。

根據論文介紹，新探針技術選用的受體是G蛋白偶聯受體。它在與神經遞質接觸，實現配體結合後就會發生構象改變。在此前提下，研究者對受體進行了兩步重要的改造。第一步，是對G蛋白偶聯受體進行乙醯膽鹼特異性基因改造。這樣，受體就只對乙醯膽鹼「有感覺」，而不會與其他種類神經遞質互動，從而避免干擾。第二步，則是加入循環重排熒光蛋白cpEGFP。熒光蛋白對受體的構象變化很敏感，並會用發出熒光的方式做出反應。依靠該蛋白，乙醯膽鹼與受體的接觸情況被轉化成了熒光信號。緊接著，研究者通過觀察熒光信號就能得知乙醯膽鹼的濃度變化，實現對乙醯膽鹼的靈敏實時檢測。

基因編碼的乙醯膽鹼熒光探針設計成功之後，為了考驗其靈敏度、特異性等性能如何，其又經受了複雜的測試。結果顯示，無論是對體外培養的細胞進行細緻刻畫，亦或是觀察果蠅活體、小鼠腦片、小鼠活體視覺皮層的乙醯膽鹼釋放，新型探針的表現都非常成功。對此，論文第一作者、北京大學博士研究生井淼在接受《知識分子》採訪時表示：「相比於傳統的神經遞質檢測方法，GACh探針擁有基因編碼、高靈敏性、高特異性、快速的動力學反應等優勢。」

井淼博士還介紹，由於GACh探針是一種基因編碼的蛋白，它可以通過質粒轉染或病毒介導的方式在細胞中表達，也可以用來構建成轉基因動物模型，實現在特定動物中的表達。而若是採用傳統的化學標記方法，我們往往難以精確地控制探針的標記或表達，尤其是在研究少數神經元的時候。所以說，傳統手段無法實現對於部分區域神經元的功能解析，也不適用於神經遞質釋放的刻畫，但GACh探針卻可以做到。

美國密歇根大學生命科學學院教授葉冰（Bing Ye）告訴《知識分子》：「以前的幾種方法存在兩類主要局限：一類是方法的時空解析度過低；另一類則在於只能檢測單個細胞，因而無法得到某一腦區的整體觀。而該探針的出現，解決了這兩個看似不可調和的局限。」

對於該探針之後的應用前景，美國科學院院士、斯坦福大學教授駱利群則評論說：「我認為這是一個重要的進步，將被社會廣泛使用。」中國科學技術大學教授、神經生物學家畢國強則表示：「這是一個大家期待許久的重要突破。我非常期待大家應用這個工具取得新的研究成果。」他談到，研究者巧妙地利用了天然的乙醯膽鹼受體與熒光蛋白結合，再利用大規模突變篩選，研發出這個能夠直接把乙醯膽鹼信號轉換為熒光信號的高效探針，為整個領域提供了一個「非常酷」而且有用的工具。

論文最後提到，GACh探針使乙醯膽鹼信號在體外和體內可視化，將會推進我們對各種疾病發病機制的理解，其中包括阿爾茨海默症和其他神經系統疾病。此外,有缺陷的膽鹼能信號被證實與許多非神經系統疾病的病理生理學和治療過程相關，比如糖尿病、心血管疾病、炎症和腫瘤。所以，應用GACh探針不僅可以精細地指示一些精神疾病的機理，也可以指導其他疾病的理性藥物設計。

參考文獻：

[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

製版編輯 | 黃玉瑩

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