Nature Biotechnology | 李毓龍組及其合作者報道新型乙酰膽堿熒光探針的開發(fā)及其應用
2018年7月9日，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯合中心、PKU-IDG/麥戈文腦科學研究所李毓龍研究組及其合作者，在《Nature Biotechnology》雜志在線發(fā)表了題為《A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies》的研究論文，首次成功開發(fā)了靈敏、特異、可遺傳編碼的乙酰膽堿熒光探針，并成功地在不同生物體系中實時檢測內源乙酰膽堿信號，為理解乙酰膽堿在生理和病理條件下的功能提供了重要的工具。
乙酰膽堿是研究史上第一個被鑒定的神經遞質，其相關研究推動了神經遞質和突觸傳遞的概念的建立1-4。目前人們已經對乙酰膽堿能神經元在外周神經系統(tǒng)（尤其是神經肌肉接點）的功能有了較為明確的闡述，但對其在中樞神經系統(tǒng)中的結構和功能的認識仍存在較大爭議5。由于乙酰膽堿能神經元在皮層等區(qū)域的廣泛投射，傳統(tǒng)研究認為乙酰膽堿在大腦中作為廣譜的神經調質，在多個腦區(qū)起到均一化的作用，如調節(jié)覺醒等生理功能6、7。然而，隨著近年來神經環(huán)路研究的推動，乙酰膽堿能神經元參與的神經環(huán)路與學習記憶、注意、獎賞等行為的相關性被逐漸解析，并且其功能多呈現區(qū)域特異性甚至神經元特異性的功能調節(jié)8-10。與此相對，在多種復雜神經疾病如成癮、阿茲海默癥中都伴隨著特定腦區(qū)膽堿能信息傳遞的異常11-13。子曰：“工欲善其事，必先利其器”。進一步的了解乙酰膽堿的生理功能及其在疾病中的貢獻需要合適的方法，能夠細胞特異性且實時靈敏的對乙酰膽堿在特定行為中的動態(tài)變化進行追蹤。
與其從頭設計，不如借鑒大自然的鬼斧神工。該研究首次通過對于神經遞質特異的G蛋白偶聯受體（GPCR）進行改造，通過在特定位置嵌入循環(huán)重排的熒光蛋白14，將受體在被神經遞質激活后的構象變化轉變?yōu)闊晒獾鞍谉晒庑盘柕淖兓?，進而反映對應神經遞質的濃度變化。通過對于乙酰膽堿受體的改造以及一系列突變篩選和優(yōu)化，該研究獲得對于乙酰膽堿具有靈敏光學響應的熒光探針，其對于生理濃度乙酰膽堿具有高信噪比的光學信號變化，并且具有亞秒級的反應速度以及良好的分子特異性，可實現時空特異的對于乙酰膽堿信號的精確指征。
乙酰膽堿探針在培養(yǎng)細胞中表現出對乙酰膽堿特異的熒光響應
在進一步工作中，該研究應用新開發(fā)的乙酰膽堿探針，在小鼠的多個腦區(qū)的急性腦片體系中成功檢測了內源的乙酰膽堿釋放，并且闡明了乙酰膽堿釋放如何受到突觸前神經元活性的調節(jié)，以及其在生理情況下的空間作用范圍，為該領域長久以來的爭論提供了直接的實驗證據。同時，應用果蠅和小鼠為模式動物，該研究成功實現了在活體果蠅的嗅覺系統(tǒng)中檢測內源乙酰膽堿對嗅覺信息的編碼，以及在小鼠視覺皮層神經元乙酰膽堿在注意性視覺刺激時的動態(tài)變化。這一系列工作為了解乙酰膽堿在不同生理情況下的釋放及其功能提供了良好的范例。
北京大學生命科學學院李毓龍研究員與弗吉尼亞大學醫(yī)學院朱駿教授為文章的共同通訊作者。李毓龍組博士研究生井淼、朱駿組張鵬博士為共同一作。北京生命科學研究所羅敏敏課題組，北京大學宋艷課題組，弗吉尼亞大學Paula Barrett課題組，加利福尼亞大學圣克魯斯分校左毅課題組，南加州大學張立課題組，石溪大學Lorna Role課題組、David Talmage課題組為研究提供了重要的支持和幫助。本工作獲得了北京大學膜生物學國家重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心、國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家自然科學基金、美國腦計劃對李毓龍研究組的大力支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/nbt.4184
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