Nat Neurosci | 李毓龙研究组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

         5-羟色胺(5-HT)又称血清素(serotonin),是一种重要的单胺类神经递质,广泛分布于中枢神经系统和外周组织。中枢神经系统的5-HT参与了进食、睡眠、学习记忆、情绪、社交等多种行为的调节,而外周的5-HT则对胃肠蠕动、血管收缩、血小板聚集等生理过程的调控至关重要。5-HT系统的失调与抑郁症(depression)、创伤后应激障碍(post-traumatic stress disorder, PTSD)、物质滥用及行为成瘾等精神障碍紧密相关。氟西汀(fluoxetine,商品名百忧解)等选择性5-HT再摄取抑制剂作为目前临床上最常用的一类抗抑郁药,具有抗抑郁和抗焦虑的双重作用。由此可见,5-HT系统的生理作用和临床价值均极为重要。
 
  令人遗憾的是,人们对5-HT系统的生理功能及作用机制仍知之甚少,这极大地限制了精神病学精准靶向药物的革新与应用。5-HT可在多个核团释放,在体内有超过10种受体,作用时程短至亚秒级,长至数天,系统错综复杂。近年来,领域内学者在小鼠5-HT能神经元的全脑投射描绘及对特定5-HT能神经元在奖赏、惩罚、进食等过程中的活动记录方面取得了一些突破。这些研究为解析5-HT系统的功能提供了重要信息。然而,诸多关键机制问题仍悬而未决。譬如,在不同行为中,5-HT如何被系统地释放?5-HT在不同脑区有何动态差异?5-HT在生理和病理状态下的释放又有何不同?传统的检测5-HT的方法包括微透析法、快速扫描循环伏安法等,但它们受限于时间或空间分辨率的不足,以及在长时段的检测过程中信号不够稳定,因此很难实现长时程对5-HT在体动态变化的灵敏检测。因此,具有细胞特异性、高时空分辨率的5-HT动态解析工具的开发将为解决这些重要的科学问题提供强有力的工具。
 
  2021年4月5日,李毓龙研究组在Nature Neuroscience杂志在线发表了题为 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。
 
  李毓龙研究组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。沿用研究组近年来应用G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor, GPCR)构建荧光探针的策略,李毓龙研究组将内源性5-HT受体与循环重排的绿色荧光蛋白(circularly permutated green fluorescent protein, cpGFP)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)。
 
  
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)。
 
    
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。
 
 
 
 

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