多巴胺作為最重要的神經(jīng)遞質(zhì)之一，在生物體調(diào)控獎(jiǎng)賞、成癮、學(xué)習(xí)記憶以及運(yùn)動(dòng)等生理功能中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。多巴胺系統(tǒng)的失調(diào)與帕金森、精神分裂癥等多種精神疾病密切相關(guān)。對(duì)多巴胺高時(shí)空分辨率、高靈敏特異的檢測(cè)對(duì)進(jìn)一步理解其在各種生理和病理?xiàng)l件下的作用具有十分重要的意義。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李毓龍教授課題組在2018年報(bào)道了第一代的綠色多巴胺探針DA1m和DA1h（Fangmiao Sun et al., Cell, 2018），并于2020年發(fā)表了第二代的綠色多巴胺探針DA2m、DA2h和紅色多巴胺探針rDA1m、rDA1h（Fangmiao Sun et al., Nature Methods, 2020）。雖然這些探針已能滿足對(duì)于多巴胺神經(jīng)元密集投射的腦區(qū)（如紋狀體和伏隔核）內(nèi)多巴胺的靈敏檢測(cè)，但對(duì)投射稀疏的前額葉皮層、杏仁核等腦區(qū)內(nèi)多巴胺的檢測(cè)卻十分困難。此外，第一代紅色多巴胺探針整體的反應(yīng)幅度、靈敏度以及特異性都有待進(jìn)一步提升。

12月1日，李毓龍課題組在Nature Methods雜志在線發(fā)表題為“Improved green and red GRAB sensors for monitoring dopaminergic activity in vivo”的研究論文，開(kāi)發(fā)了第三代的紅綠雙色多巴胺探針工具包，并通過(guò)在體紅綠雙色成像等方式證明全新一代多巴胺探針在多腦區(qū)、多行為范式下均能靈敏特異地檢測(cè)多巴胺及其它信號(hào)分子的時(shí)空動(dòng)態(tài)釋放。

文章截圖

李毓龍課題組基于GRAB探針策略 (GPCR-Activation Based Sensor)，已先后開(kāi)發(fā)針對(duì)膽堿類、單胺類、嘌呤類、脂類和神經(jīng)肽類神經(jīng)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)的熒光探針。近日，該團(tuán)隊(duì)在Science上報(bào)道了一種全新、高效、通用的熒光報(bào)告模塊嫁接策略，并開(kāi)發(fā)出一系列神經(jīng)肽熒光探針（Huan Wang et al., Science, 2023）。研究人員基于相似策略，將含有熒光報(bào)告基團(tuán)模塊的ICL3從現(xiàn)有的神經(jīng)遞質(zhì)探針中移植到多種不同物種的多巴胺受體中，從而開(kāi)發(fā)出一系列全新一代多巴胺探針，包括綠色第三代多巴胺探針gDA3m、gDA3h及紅色第二代多巴胺探針rDA2m、rDA2h、rDA3m和rDA3h。

研究人員在哺乳動(dòng)物細(xì)胞和原代培養(yǎng)神經(jīng)元內(nèi)對(duì)這一系列多巴胺探針的性能進(jìn)行刻畫(huà)比較，發(fā)現(xiàn)全新一代紅綠多巴胺探針無(wú)論在反應(yīng)幅度、靈敏度和選擇性上都顯著優(yōu)于現(xiàn)有的多巴胺探針。在急性腦片電刺激實(shí)驗(yàn)中，gDA3m和rDA3m探針不僅可靠報(bào)告了多巴胺釋放的動(dòng)態(tài)變化，還忠實(shí)保留了受體骨架本身的藥理學(xué)特性。在體的光遺傳學(xué)激活實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，這一系列全新多巴胺探針能靈敏、特異地刻畫(huà)多巴胺的動(dòng)態(tài)釋放。

為進(jìn)一步確認(rèn)新一代紅色多巴胺探針的在體檢測(cè)能力，作者將rDA3m和綠色cAMP探針GFlamp1共表達(dá)在小鼠伏隔核腦區(qū)，并用光纖記錄探測(cè)多巴胺以及下游神經(jīng)元胞內(nèi)信號(hào)分子cAMP在雄鼠交配行為過(guò)程中不同階段的動(dòng)態(tài)信號(hào)變化，發(fā)現(xiàn)了多巴胺及其下游信號(hào)cAMP動(dòng)態(tài)變化的一致性。此外，作者將rDA3m和乙酰膽堿探針ACh3.0共表達(dá)在小鼠的前額葉皮層和伏隔核，并利用光纖記錄的方式記錄在巴普洛夫條件學(xué)習(xí)中，小鼠在獎(jiǎng)賞和厭惡刺激條件下兩個(gè)腦區(qū)兩種神經(jīng)遞質(zhì)在不同訓(xùn)練時(shí)期的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)雙光子成像實(shí)驗(yàn)，作者進(jìn)一步精確觀測(cè)到在跑步、尾部電刺激和聲音刺激等不同條件下M1/M2皮層中g(shù)DA3h的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。

綜上所述，這項(xiàng)研究利用新型ICL3嫁接策略，構(gòu)建了全新一代的紅綠雙色多巴胺探針工具包。與已發(fā)表的多巴胺探針相比，全新一代多巴胺雙色探針具有更高的反應(yīng)幅度、更好的靈敏度和更特異的選擇性，使得在體雙色光纖記錄多種神經(jīng)遞質(zhì)分子在多個(gè)腦區(qū)不同行為下的動(dòng)態(tài)變化及皮層雙光子成像成為可能。因此，該研究開(kāi)發(fā)的全新一代多巴胺探針彌補(bǔ)了現(xiàn)有多巴胺探針的短板，對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同腦區(qū)的多巴胺都能實(shí)現(xiàn)靈敏、特異的檢測(cè)，為進(jìn)一步深入研究多巴胺系統(tǒng)在生理和病理?xiàng)l件下的作用和分子機(jī)理提供了更為強(qiáng)大的工具。

李毓龍為該論文的通訊作者；北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生卓一洲、博士后羅斌為該論文的共同第一作者；北京大學(xué)已畢業(yè)本科生易馨陽(yáng)，北京大學(xué)副研究員董輝、趙玉琳，北京朝陽(yáng)醫(yī)院苗曉蕾，北京大學(xué)博士后萬(wàn)金霞，博士研究生蔡儒儀、王蕾、王歡和鄭宇等為該論文作出重要貢獻(xiàn)。該工作得到哈佛大學(xué)Mitsuko Watabe-Uchida實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院朱英杰實(shí)驗(yàn)室、俄勒岡健康科學(xué)大學(xué)John T. Williams 實(shí)驗(yàn)室和Marina E. Wolf實(shí)驗(yàn)室的通力合作；國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市科委、北京大學(xué)膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院、峰基金、新基石科學(xué)基金會(huì)所設(shè)立的新基石研究員項(xiàng)目與科學(xué)探索獎(jiǎng)等機(jī)構(gòu)和經(jīng)費(fèi)的大力資助和支持。

來(lái)源：北京大學(xué)