Cell | 北大李毓龙研究组开发新型探针，精确检测神经递质乙酰胆碱和多巴胺的“一举一动”
导读
日前，北京大学生命科学学院李毓龙研究组联合多个研究组开发的两种新型神经递质探针，可以精确地实时检测多种生物的特定神经递质——乙酰胆碱或多巴胺的“一举一动”。相关论文分别于7月9日、7月12日在国际学术期刊《自然·生物技术》和《细胞》在线发表后，在国内外同行中引发关注。

两种探针有何“过人之处”？它们如何准确追踪原本看不见、摸不着的神经递质？

神经递质看不见、摸不着，传统检测方法存在不足
李毓龙是乙酰胆碱论文的共同通讯作者、多巴胺论文的通讯作者，同时在北大生命科学学院、北大清华生命科学联合中心和PKU—IDG/麦戈文脑科学研究所担任研究员。他介绍说，人的大脑由数十亿个神经元（也称神经细胞）组成，神经元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、决策和运动等高级神经功能。

乙酰胆碱

“神经递质是介导神经元信息传递的化学活性小分子，在突触传递中扮演着‘信使’的角色。”李毓龙说，乙酰胆碱是研究史上第一种被鉴定出来的神经递质，与肌肉收缩、学习记忆、注意等行为相关，能维持意识清醒、调节肌肉收缩、激素分泌、巩固和强化记忆等；多巴胺在中枢神经系统中负责调控一系列关键的神经功能，包括学习记忆、注意力集中和运动控制等。“如果这两种神经递质活动异常，会导致一系列精神疾病或神经退行性疾病，如阿尔茨海默症、多动症、精神分裂症、帕金森氏症等。这些神经递质看不见、摸不着，要想进一步了解它们的生理功能及其在疾病中的作用，就必须通过特定检测方法对它们在特定行为中的动态变化进行精确识别、跟踪。”李毓龙说。

多巴胺

传统的检测方法，主要是通过微透析对脑脊液进行采样并生化检测、通过碳纤电极进行记录等。“这些检测手段存在一定缺陷，难以满足研究的需求。”李毓龙说，其主要弊端是：缺乏足够的时间和空间分辨率，检测特定神经递质的特异性不够高，难以精确反映神经递质的真实动态信息，“开发新型神经递质检测工具，是国际神经科学的重大课题。”

把神经递质动态变化转化为直观的荧光信号
“我们的研究思路是，用生物体内源进化产生的特异性神经递质受体来感知神经递质信号。”李毓龙介绍说，荧光蛋白是水母等生物体内能被可见光激发产生荧光的蛋白，通过将荧光蛋白与特异性神经递质受体进行分子水平的融合，从而让这些受体结合神经递质后发出荧光信号。这样就可以通过荧光成像的方法，实时追踪这些原本看不见摸不着的神经递质，神秘莫测的神经递质动态变化转变成了直观、易测的荧光信号。
开发新型探针，最大难题是如何让神经递质受体和荧光蛋白这两个来源于不同物种的分子成功偶联并报告受体接受神经递质的信号。针对这一难题，李毓龙研究组进行了大规模的突变筛选，从而获得了具有较高荧光响应的探针。

乙酰胆碱探针在培养细胞中表现出对乙酰胆碱特异的荧光响应
为更好研究乙酰胆碱在生理和病理过程中起到的作用，研究组与合作者应用新开发的乙酰胆碱探针，在小鼠多个脑区的急性脑片体系中成功检测出了内源的乙酰胆碱释放，阐明了乙酰胆碱释放是如何受到突触前神经元活性的调节，以及其在生理情况下的空间作用范围，从而为该领域长久以来的争论提供了直接的实验证据。同时，研究组成功实现了在活体果蝇的嗅觉系统中检测出其内源乙酰胆碱对嗅觉信息的编码，发现了小鼠视觉皮层神经元中的乙酰胆碱在注意性视觉刺激时的动态变化。这一系列工作为了解乙酰胆碱在不同生理情况下的释放及其功能提供了良好的范例。
在乙酰胆碱探针初具效力的基础上，李毓龙研究组又花了两年多时间，开发、优化具有可基因编码特性的多巴胺探针，并进行了一系列应用。通过转染、病毒注射以及构建转基因动物等手段，他们将探针表达在细胞、小鼠脑片或者活体果蝇、斑马鱼、小鼠中。实验结果表明，就算探针长时间停留在生物体内，也不会对生物的生长状态造成明显影响。利用该探针，他们检测到了用电刺激小鼠脑片后所引发的多巴胺释放，并在活体果蝇、斑马鱼和小鼠的大脑中检测到了与嗅觉刺激、视觉刺激、学习记忆、交配行为相关的多巴胺信号变化。

基于G蛋白偶联受体的多巴胺探针

荧光探针将为精准医疗与新型药物研发提供帮助
两种新型探针，优势何在？
乙酰胆碱探针研究论文的共同第一作者、北京大学博士井淼介绍，新型探针拥有基因编码、高灵敏性、高特异性、快速的动力学反应等优势，令不可捉摸的神经递质变化情况变得更加直观易测、准确灵敏高效。
而据多巴胺探针研发论文的共同第一作者、李毓龙实验室博士孙芳妙介绍，传统手段无法实现同时对多个神经元感受神经递质信息的记录，而新型探针可以做到。
乙酰胆碱探针与多巴胺探针工作原理几乎一致，两者都是基于人源神经递质受体，将神经递质结合受体所引发的受体构象变化转化为荧光信号的变化。这表明该探针的原理方法、发展策略具有可推广性，为今后大规模开发其他神经递质、神经调质探针奠定了扎实的研究基础。
密歇根大学教授、神经科学专家许献忠说：“这无疑是神经科学研究的一个突破，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。我很兴奋，期待看到更多这样的探针开发。”
“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。”中国科学技术大学教授、神经生物学家毕国强认为，研究者巧妙地利用了天然的神经递质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神经递质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。
李毓龙表示，新型神经递质探针的开发为该领域带来了急需的工具和手段，有助于了解神经递质在特定疾病中的变化，从而为未来的精准医疗和新型药物研发提供了新路径。
《Nature Biotechnology》：A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies https://www.nature.com/articles/nbt.4184
《Cell》：A genetically-encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30845-6