【学术快报】李毓龙组及其合作者在《Nature Biotechnology》报道新型乙酰胆碱荧光探针的开发及其应用
李毓龙组及其合作者在《Nature Biotechnology》报道新型乙酰胆碱荧光探针的开发及其应用
2018年7月9日，北京大学IDG/麦戈文脑科学研究所、北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心李毓龙研究组与合作者，在《Nature Biotechnology》杂志在线发表了题为《A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies》的研究论文，首次成功开发了灵敏、特异、可遗传编码的乙酰胆碱荧光探针，并成功地在不同生物体系中实时检测内源乙酰胆碱信号，为理解乙酰胆碱在生理和病理条件下的功能提供了重要的工具。
乙酰胆碱是研究史上第一个被鉴定的神经递质，其相关研究推动了神经递质和突触传递的概念的建立1-4。目前人们已经对乙酰胆碱能神经元在外周神经系统（尤其是神经肌肉接点）的功能有了较为明确的阐述，但对其在中枢神经系统中的结构和功能的认识仍存在较大争议5。由于乙酰胆碱能神经元在皮层等区域的广泛投射，传统研究认为乙酰胆碱在大脑中作为广谱的神经调质，在多个脑区起到均一化的作用，如调节觉醒等生理功能6, 7。然而，随着近年来神经环路研究的推动，乙酰胆碱能神经元参与的神经环路与学习记忆、注意、奖赏等行为的相关性被逐渐解析，并且其功能多呈现区域特异性甚至神经元特异性的功能调节8-10。与此相对，在多种复杂神经疾病如成瘾、阿兹海默症中都伴随着特定脑区胆碱能信息传递的异常11-13。子曰：“工欲善其事，必先利其器”。进一步的了解乙酰胆碱的生理功能及其在疾病中的贡献需要合适的方法，能够细胞特异性且实时灵敏的对乙酰胆碱在特定行为中的动态变化进行追踪。
与其从头设计，不如借鉴大自然的鬼斧神工。该研究首次通过对于神经递质特异的G蛋白偶联受体（GPCR）进行改造，通过在特定位置嵌入循环重排的荧光蛋白14，将受体在被神经递质激活后的构象变化转变为荧光蛋白荧光信号的变化，进而反映对应神经递质的浓度变化。通过对于乙酰胆碱受体的改造以及一系列突变筛选和优化，该研究获得对于乙酰胆碱具有灵敏光学响应的荧光探针，其对于生理浓度乙酰胆碱具有高信噪比的光学信号变化，并且具有亚秒级的反应速度以及良好的分子特异性，可实现时空特异的对于乙酰胆碱信号的精确指征。
图一：乙酰胆碱探针在培养细胞中表现出对乙酰胆碱特异的荧光响应。
在进一步工作中，该研究应用新开发的乙酰胆碱探针，在小鼠的多个脑区的急性脑片体系中成功检测了内源的乙酰胆碱释放，并且阐明了乙酰胆碱释放如何受到突触前神经元活性的调节，以及其在生理情况下的空间作用范围，为该领域长久以来的争论提供了直接的实验证据。同时，应用果蝇和小鼠为模式动物，该研究成功实现了在活体果蝇的嗅觉系统中检测内源乙酰胆碱对嗅觉信息的编码，以及在小鼠视觉皮层神经元乙酰胆碱在注意性视觉刺激时的动态变化。这一系列工作为了解乙酰胆碱在不同生理情况下的释放及其功能提供了良好的范例。
北京大学生命科学学院李毓龙研究员与弗吉尼亚大学医学院朱骏教授为文章的共同通讯作者。李毓龙组博士研究生井淼、朱骏组张鹏博士为共同一作。北京生命科学研究所罗敏敏课题组，北京大学宋艳课题组，弗吉尼亚大学Paula Barrett课题组，加利福尼亚大学圣克鲁斯分校左毅课题组，南加州大学张立课题组，石溪大学Lorna Role课题组、David Talmage课题组为研究提供了重要的支持和帮助。本工作获得了北京大学膜生物学国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金、青年千人计划、美国脑计划对李毓龙研究组的大力支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/nbt.4184
参考文献
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实验室介绍
人的大脑由数十亿的神经元组成，后者又通过数万亿的突触组成复杂的神经网络。不同种类的神经元经过或远或近的投射，通过突触与其他神经元进行信息交流，实现感知、决策和运动等高级神经功能。
研究大脑的最大挑战在于脑的高度复杂性。李毓龙实验室集中在神经元通讯的基本结构突触上，从两个层面上开展研究：一是开发前沿的工具，即开发新型成像探针，用于在时间和空间尺度上解析神经系统的复杂功能；二是借助先进的工具探究突触传递的调节机制，特别是在生理及病理条件下对神经递质释放的调节。
具体而言，对于工具开发，李毓龙实验室集中于：
1，结合光遗传学和荧光成像，无损伤性的研究神经元之间的电突触连接。电突触的异常可导致耳聋、癫痫、脑部肿瘤和心脏功能异常等疾病。
2，开发可遗传编码的检测神经递质/调质的荧光探针。神经递质/调质是神经元化学突触传递的关键介导分子，与感知、学习和记忆以及情绪密切相关。
利用上述荧光探针，我们的功能性和生理性的研究集中于：
1，结合生物信息学、分析化学、生物化学、生理学和成像学方法，系统地探索和鉴定潜在的新型小分子神经递质。
2，研究神经元中重要的分泌性囊泡“高密度核心囊泡”的蛋白质组学，分析囊泡内的神经肽组成。这些神经肽对于调节食物摄取、侵犯性行为和生物节律有重要的调节作用。
3，寻找上述新型化学递质/调质小分子的对应受体，即寻找“孤儿”受体的配体。
4，结合双光子成像和可遗传编码的荧光探针，使用果蝇和小鼠作为模式生物，研究嗅觉传导或睡眠过程中脑的工作机制。
北京大学IDG麦戈文脑科学研究所
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