Nature Methods：打破局限，研发抑制性神经递质荧光探针iGABASnFR

γ-氨基丁酸（简称GABA）是哺乳动物中枢神经系统中重要的抑制性神经递质，约30%的中枢神经突触部位以GABA为递质，它主要存在于神经元的细胞膜上，分为GABA_A、GABA_B和GABA_C三种亚型。

目前关于基因编码的钙指示剂研究很多，已经得到了很多的改进。兴奋性神经递质探针也得到了开发，但是关于抑制性递质探针一直没有特别大的突破（1）。

以往有研究报道GABAB受体上附着有机荧光团的半合成有机荧光探针，但其对GABA（400μM）的低亲和力限制了应用（2）。因此寻求新的GABA荧光探针将有助于促进神经科学领域的研究。

近日，美国霍华德休斯医学研究所Loren L. Looger教授研究团队在Nature Methods上发表A genetically encoded fluorescent sensor  for in vivo imaging of GABA的文章基于谷氨酸受体iGluSnFR的原理，开发出可检测GABA浓度的荧光探针iGABASnFR（3）。

图源：qyresearchgroups.com

尽管GABA存在许多潜在的支架蛋白，但是GABA_A、GABA_B是不合适的，这是因为前者的GABA结合位点位于蛋白质—蛋白质界面（而不是分子内），而后者难以异源表达。

此外，这些受体的过表达可能改变细胞的生理功能。植物病原体根癌农杆菌含有两种与GABA结合的蛋白Atu2422和Atu4234。其中Atu2422低亲和力，Atu4234高亲和力。然而，Atu4243在不同位置插入了cpGFP（绿色荧光蛋白）后都不能在离体细胞上膜上表达，这就表明Atu4243不适合作为GABA荧光探针的骨架。

研究人员最后识别出大肠杆菌中异源表达蛋白Pf622（Atu4243的同源物），在其基础上改造成可检测GABA浓度的荧光探针iGABASnFR（图1）。

iGABASnFR离体实验的可行性：携带iGABASnFR的AAV病毒感染新生大鼠（D0）后进行海马离体神经元的培养，免疫荧光发现在感染后第14天显示出iGABASnFR与细胞膜高度重合，荧光亮度强，这就表明iGABASnFR具有良好的膜定位性。

为了进一步证实iGABASnFR的实用性，研究人员进行电刺激后CA1锥体神经元促进释放GABA后iGABASnFR快速响应，荧光强度增加，并具有良好的信噪比。

iGABASnFR在实验的可行性：局灶性新皮质癫痫通常伴有异常的皮层脑电图（ECoG）活动，这主要是GABA参与其中引起的。因此，研究团队通过癫痫模型进一步检测iGABASnFR的可行性。皮质内注射毛果芸香碱可诱导局部癫痫。在癫痫发作期间出现异常高频放电活动时，GABA释放增多，此时荧光信号也迅速增强。

此外，研究人员又在斑马鱼模型上进一步验证，以往研究表明游泳可以激活小脑浦肯野细胞释放GABA，可利用光片成像技术在斑马鱼小脑中观察到GABA瞬变（4）。利用iGABASnFR标记技术在游泳开始后200ms荧光的变化达到峰值（图2）。该结果表明iGABASnFR可以实现可靠地检测运动过程中局部GABA传递过程。

总的来说，本文通过基于兴奋性神经递质荧光探针的原理设计出抑制性神经递质荧光探针iGABASnFR，可以实现快速、稳定的检测到胞外GABA的浓度。但是值得注意的是在异氟醚麻醉期间GABA释放减少，会影响到iGABASnFR检测效率。

参考资料：

1. Marvin, J. S. et al. Stability, affinity, and chromatic variants of the glutamate sensor iGluSnFR. Nat. Methods 15, 936–939 (2018).

2.Masharina, A., Reymond, L., Maurel, D., Umezawa, K. & Johnsson, K.  A fluorescent sensor for GABA and synthetic GABAB receptor ligands.  J. Am. Chem. Soc. 134, 19026–19034 (2012).

3. A genetically encoded fluorescent sensor  for in vivo imaging of GABA，https://doi.org/10.1038/s41592-019-0471-2

4. Scalise, K., Shimizu, T., Hibi, M. & Sawtell, N. B. Responses of cerebellar Purkinje cells during fictive optomotor behavior in larval zebrafish.  J. Neurophysiol. 116, 2067–2080 (2016).

作者信息

 

作者：王果果（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

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