基因编码的荧光探针，为神经递质研究增添新利器
►图片来源：Pixabay
撰文 | 李 可
责编 | 惠家明
● ● ●
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（ACH）是人类发现的第一种神经递质，负责调节睡眠、成瘾、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、阿兹海默症等疾病缠身。如所有神经递质一样，科学界对乙酰胆碱精细的调控功能存在很多争议。而要想解决这些学术分歧，科学家们必须得看清乙酰胆碱的“一举一动”。因此，他们需要一种更加灵敏的检测手段。
最近，北京大学生命科学学院李毓龙团队成功开发出了一种特异性探针,适用于体外和体内监测乙酰胆碱信号。该探针具有极高的灵敏度、特异性、信噪比、动力学和光稳定性，其优异的性能在十几种神经元以及一些非神经细胞中都得到了验证，可以精确检测多种动物活体的乙酰胆碱变化情况。7月2日，《自然生物技术》（Nature Biotechnology）在线发表了这一工作[1]。
“这项成果无疑是神经科学研究的一个突破，是一个强大的工具，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）评论说。“我很兴奋，期待看到更多这样的探针开发。”
新的荧光探针技术之所以能拥有强大的功能，关键在于它“借用”了生物体内的神经递质受体。在漫长的自然演化中，动物普遍采用神经递质受体来感受化学多样性的神经递质。其作用的受体可能定位于细胞膜、细胞质或细胞核内，并且受体本身可归属于离子通道、G 蛋白偶联受体等多种蛋白家族。因此，研究者将目光聚焦在乙酰胆碱的内源受体上。他们设想：是否可以改造这些受体，令受体在配体结合并构象变化（也就是分子的空间结构发生变化）后能产生荧光反应。在此基础上，实验人员则可以通过监测荧光反应来了解神经递质浓度的动态变化。打个比方，乙酰胆碱等神经递质好似送信人，而受体则负责收信。如果能跟这位“收信人”达成协议，让它每次收到信以后第一时间用荧光信号通知我们，那么就可以间接知晓乙酰胆碱等“邮差”的光临。正是根据这一原理，李毓龙团队成功研发了乙酰胆碱的特异性荧光探针，大名GACh。
根据论文介绍，新探针技术选用的受体是G蛋白偶联受体。它在与神经递质接触，实现配体结合后就会发生构象改变。在此前提下，研究者对受体进行了两步重要的改造。第一步，是对G蛋白偶联受体进行乙酰胆碱特异性基因改造。这样，受体就只对乙酰胆碱“有感觉”，而不会与其他种类神经递质互动，从而避免干扰。第二步，则是加入循环重排荧光蛋白cpEGFP。荧光蛋白对受体的构象变化很敏感，并会用发出荧光的方式做出反应。依靠该蛋白，乙酰胆碱与受体的接触情况被转化成了荧光信号。紧接着，研究者通过观察荧光信号就能得知乙酰胆碱的浓度变化，实现对乙酰胆碱的灵敏实时检测。
基因编码的乙酰胆碱荧光探针设计成功之后，为了考验其灵敏度、特异性等性能如何，其又经受了复杂的测试。结果显示，无论是对体外培养的细胞进行细致刻画，亦或是观察果蝇活体、小鼠脑片、小鼠活体视觉皮层的乙酰胆碱释放，新型探针的表现都非常成功。对此，论文第一作者、北京大学博士研究生井淼在接受《知识分子》采访时表示：“相比于传统的神经递质检测方法，GACh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。”
井淼博士还介绍，由于GACh探针是一种基因编码的蛋白，它可以通过质粒转染或病毒介导的方式在细胞中表达，也可以用来构建成转基因动物模型，实现在特定动物中的表达。而若是采用传统的化学标记方法，我们往往难以精确地控制探针的标记或表达，尤其是在研究少数神经元的时候。所以说，传统手段无法实现对于部分区域神经元的功能解析，也不适用于神经递质释放的刻画，但GACh探针却可以做到。
美国密歇根大学生命科学学院教授叶冰（Bing Ye）告诉《知识分子》：“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。而该探针的出现，解决了这两个看似不可调和的局限。”
对于该探针之后的应用前景，美国科学院院士、斯坦福大学教授骆利群则评论说：“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乙酰胆碱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乙酰胆碱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。
论文最后提到，GACh探针使乙酰胆碱信号在体外和体内可视化，将会推进我们对各种疾病发病机制的理解，其中包括阿尔茨海默症和其他神经系统疾病。此外,有缺陷的胆碱能信号被证实与许多非神经系统疾病的病理生理学和治疗过程相关，比如糖尿病、心血管疾病、炎症和肿瘤。所以，应用GACh探针不仅可以精细地指示一些精神疾病的机理，也可以指导其他疾病的理性药物设计。
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
往期精彩回顾：
制版编辑 | 黄玉莹
本页刊发内容未经书面许可禁止转载及使用
公众号、报刊等转载请联系授权
copyright@zhishifenzi.com
▼▼▼点击“阅读原文”，直达知识分子书店！