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Nature Methods | 李毓龍實驗室合作實現新型紅色熒光多巴胺探針和第二代綠色熒光多巴胺探針的開發及應用

日期: 2020-10-22

多巴胺(Dopamine, DA)作為大腦中重要的神經遞質,與運動控製、動機、學習、記憶、情緒等生理過程,以及多種神經係統疾病如帕金森病、成癮、精神分裂症、多動症和創傷後壓力綜合征等密切相關。為更好地研究多巴胺在生理和病理過程中的作用,研究人員需要一種能夠實時、靈敏、特異地檢測多巴胺的工具,以研究在活體模式生物中、複雜行為模式下多巴胺信號的動態變化情況。自2018年起,北京大學李毓龍實驗室開發了一係列檢測神經遞質的熒光探針,即GRAB探針係列,其中即包括多巴胺探針(GRABDA)。該探針克服了已有多巴胺檢測手段中時空分辨率低、分子特異性差等諸多問題,已被廣泛地應用於活體果蠅、小鼠、斑馬魚、斑馬雀等模式生物 [1-4]。

2020年10月22日,北京大學李毓龍實驗室、紐約大學Dayu Lin實驗室和美國國立衛生研究院Guohong Cui實驗室合作在Nature Methods雜誌在線發表了題為“Next-generation GRAB sensors for monitoring dopaminergic activity in vivo”的研究論文,報告了新型紅色熒光多巴胺探針第二代綠色熒光多巴胺探針的開發及應用。

研究者在發表的第一代探針的基礎上,對多巴胺探針進行了進一步的改造和優化。本工作的亮點之一為開發出新型的具有紅色熒光的多巴胺探針(rGRABDA1mrGRABDA1h),可與其他綠色熒光探針(如鈣離子探針,神經遞質探針等)共同使用,實現多種信號的同時記錄。工作亮點之二為優化出具有更高靈敏度及成像信噪比的第二代綠色熒光多巴胺探針(GRABDA2mGRABDA2h)(圖1),其較第一代探針在反應幅度上提升了2-3倍。

針對新一代多巴胺探針,研究者在細胞、腦片、果蠅(圖2)、小鼠(圖3)中對其表現進行了係統地刻畫,並通過一係列對照實驗對探針信號的特異性進行了驗證,為該工具的未來應用提供了詳盡的信息。應用新一代靈敏的多巴胺探針,研究者在清醒的、自由活動的動物深部腦區中記錄了多巴胺的動態變化,並研究了多巴胺隨著動物不同精細行為過程發展而產生的變化(圖3)。


圖1. 新型紅色熒光多巴胺探針和第二代綠色熒光多巴胺探針在HEK293T細胞中的熒光響應情況


圖2. 通過雙光子成像法檢測果蠅大腦中由氣味刺激和電刺激引發的多巴胺釋放


圖3. 通過光纖記錄法檢測小鼠交配行為中NAc腦區的多巴胺動態變化情況

這些新型多巴胺探針不僅為多巴胺功能的研究提供了重要工具,也為將來開發具有多種光譜範圍以及更高信噪比的神經遞質探針提供了寶貴經驗。“基於G蛋白偶聯受體”這一探針開發策略已被成功應用於開發多種神經遞質探針,包括乙酰膽堿探針 [5,6]、去甲腎上腺素探針 [7]、腺苷探針 [8]、五羥色胺探針 [9]、內源大麻素探針[10]、美國加州大學戴維斯分校Lin Tian實驗室開發的多巴胺探針等 [11,12]。我們期待未來將會有更多具有更高信噪比、多種光譜範圍的神經遞質探針,推進大腦神經遞質係統功能的研究。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41592-020-00981-9

參考文獻

1. Sun, F. et al. A genetically encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice. Cell 174, 481–496.e9 (2018).

2. Tanaka, M., Sun, F., Li, Y. & Mooney, R. A mesocortical dopamine circuit enables the cultural transmission of vocal behaviour. Nature 563, 117–120 (2018).

3. Zhou, M. et al. Suppression of GABAergic neurons through D2-like receptor secures efficient conditioning in Drosophila aversive olfactory learning. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 5118–5125 (2019).

4. Handler, A. et al. Distinct dopamine receptor pathways underlie the temporal sensitivity of associative learning. Cell 178, 60–75.e19 (2019).

5. Jing, M. et al. A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies. Nat. Biotechnol. 36, 726–737 (2018).

6. Jing, M. et al. An optimized acetylcholine sensor for monitoring in vivo cholinergic activity. Nature Methods (2020): 1-8.

7. Feng, J. et al. A genetically encoded fluorescent sensor for rapid and specific in vivo detection of norepinephrine. Neuron 102, 745–761.e8 (2019).

8. Peng, W. et al. Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons. Science 369.6508 (2020).

9. Wan, J. et al. A genetically encoded GRAB sensor for measuring serotonin dynamics in vivo. bioRxiv (2020).

10. Dong, A. et al. A fluorescent sensor for spatiotemporally resolved endocannabinoid dynamics in vitro and in vivo. bioRxiv (2020).

11. Patriarchi, T. et al. Ultrafast neuronal imaging of dopamine dynamics with designed genetically encoded sensors. Science 360, 6396 (2018).

12. Patriarchi, T. et al. An expanded palette of dopamine sensors for multiplex imaging in vivo. Nature Methods (2020): 1-9.