◆ ◆ ◆ ◆

Science | 移花接木——李毓龙实验室设计通用型嫁接策略开发神经肽探针工具包

人体中有上百种神经肽，它们在调节新陈代谢、疼痛感知、睡眠与昼夜节律、情绪和学习等多种生理功能中发挥着重要作用。神经肽信号传导的异常与许多疾病有关，如失眠、糖尿病和抑郁症。为了深入了解神经肽在生理条件和疾病中的功能，开发具有高时空分辨率的神经肽检测技术至关重要。然而，目前开发神经肽荧光探针的策略仍然存在一些局限，例如效率低、成本高、难以扩展等。

2023年11月17日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心李毓龙实验室在Science杂志在线发表了题为A tool kit of highly selective and sensitive genetically encoded neuropeptide sensors的研究论文报道了一种利用包含荧光报告模块的第三胞内环（Intracellular loop 3， ICL3）嫁接的策略，高效可通用地开发了一系列神经肽荧光探针工具包。

李毓龙团队基于GRAB探针策略 (GPCR-Activation Based Sensor)，已先后开发了针对胆碱类、单胺类、嘌呤类和脂类神经递质/调质的荧光探针。在该项研究中，研究人员将含有荧光报告模块的ICL3从一种现有的神经递质探针中移植到另一种GPCR中。这种嵌合体在与受体配体结合后也会发生构象变化，从而改变荧光强度。利用这种策略，研究人员开发了一系列神经肽的荧光探针，包括生长抑素（somatostatin, SST）、促肾上腺皮质激素释放因子（corticotropin-releasing factor, CRF）、胆囊收缩素（cholecystokinin, CCK）、神经肽Y（neuropeptide Y, NPY）、神经紧张素（neurotensin, NTS）和血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide, VIP）。

研究人员发现，基于去甲肾上腺素（NE）探针GRAB_NE的ICL3具有较好的移植适配性，并将GRAB_NE的ICL3替换移植到神经肽GPCR中，通过少量优化后开发了对应的神经肽GRAB探针。这些神经肽探针能够以纳摩尔级灵敏度检测特定的神经肽；并且在表达这些探针后都没有观测到对神经元活动、细胞转录组和动物行为的显著性影响。

此研究进一步详细展示了SST和CRF探针的应用价值。具体而言，作者使用SST1.0探针检测培养的大鼠皮层神经元和小鼠胰岛中内源的SST释放，并揭示了小鼠在条件学习过程中基底外侧杏仁核（basal lateral amygdala, BLA）脑区的SST动态变化。此外，作者将CRF1.0探针表达在小鼠的中央杏仁核（central amygdala, CeA）脑区，CRF1.0探针可靠地报告了小鼠急性脑切片中电刺激引发的CRF释放。运用光纤记录技术，作者使用CRF1.0探针在活体小鼠的下丘脑室旁核（paraventricular nucleus of hypothalamus，PVN）中监测到脑室灌注CRF和应激刺激时CRF水平的变化。进一步运用双光子成像的方式，作者在应激刺激下观测到小鼠运动皮层和前额叶皮质中CRF的时空动态变化。

综上所述，此研究报道了一种利用ICL3嫁接的方法，实现神经肽荧光探针的快速和可扩展开发。利用此策略，论文中开发了一系列GRAB探针用于实时监测常见研究的神经肽的动态变化（包括CRF、SST、CCK、NTS、NPY和VIP），并展示了GRAB SST1.0和CRF1.0探针能够以优良的灵敏度、选择性和时空分辨率在体外和体内监测神经肽的动态变化。这种灵活的工程策略和经过优化的神经肽探针工具包为研究多种神经肽在生理和病理状态下的释放、调控和功能铺平了道路。

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教授为本文通讯作者；北京大学生命科学学院博士后王欢、博士毕业生钱统瑞为本论文的共同第一作者；北京大学副研究员赵玉琳、博士研究生卓一洲、耿岚、傅升韪、鄢羽岐、王蕾等对文章做出了贡献。该工作得到了中国科学技术大学的周江宁实验室，美国纽约大学的Dayu Lin实验室，中国科学院深圳先进技术研究院的朱英杰实验室，北京大学的汤超实验室、陈良怡实验室，以及华中科技大学的江漫实验室的通力合作。

更多李毓龙实验室工作详见：http://yulonglilab.org/。此外，李毓龙实验室诚聘不同学科背景的副研究员、博士后及技术员，待遇从优。欢迎对脑科学感兴趣的有志青年加入！

原文链接：

https://www.doi.org/10.1126/science.abq8173

邮箱：

yulongli@pku.edu.cn

实验室主页：

http://www.yulonglilab.org/

研究领域：

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，实现感知觉、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。我们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，我们集中于：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。2）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。3）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。