多巴胺作為最重要的神經(jīng)遞質(zhì)之一，在生物體調(diào)控獎賞、成癮、學(xué)習(xí)記憶以及運(yùn)動等生理功能中發(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)。對多巴胺高時空分辨率、高靈敏特異的檢測對進(jìn)一步理解其在各種生理和病理條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，但對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，開發(fā)了第三代的紅綠雙色多巴胺探針工具包，并通過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多巴胺及其它信號分子的時空動態(tài)釋放。

文章截圖

李毓龍課題組基于GRAB探針策略 (GPCR-Activation Based Sensor)，已先后開發(fā)針對膽堿類、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)隊在Science上報道了一種全新、高效、通用的熒光報告模塊嫁接策略，并開發(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。

研究人員在哺乳動物細(xì)胞和原代培養(yǎng)神經(jīng)元內(nèi)對這一系列多巴胺探針的性能進(jìn)行刻畫比較，發(fā)現(xiàn)全新一代紅綠多巴胺探針無論在反應(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)驗中，gDA3m和rDA3m探針不僅可靠報告了多巴胺釋放的動態(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)驗也發(fā)現(xiàn)，這一系列全新多巴胺探針能靈敏、特異地刻畫多巴胺的動態(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)，并用光纖記錄探測多巴胺以及下游神經(jīng)元胞內(nèi)信號分子cAMP在雄鼠交配行為過程中不同階段的動態(tài)信號變化，發(fā)現(xiàn)了多巴胺及其下游信號cAMP動態(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，小鼠在獎賞和厭惡刺激條件下兩個腦區(qū)兩種神經(jīng)遞質(zhì)在不同訓(xùn)練時期的動態(tài)變化。通過雙光子成像實(shí)驗，作者進(jìn)一步精確觀測到在跑步、尾部電刺激和聲音刺激等不同條件下M1/M2皮層中g(shù)DA3h的時空動態(tài)變化。

綜上所述，這項研究利用新型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)分子在多個腦區(qū)不同行為下的動態(tài)變化及皮層雙光子成像成為可能。因此，該研究開發(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，為進(jìn)一步深入研究多巴胺系統(tǒng)在生理和病理條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，北京大學(xué)副研究員董輝、趙玉琳，北京朝陽醫(yī)院苗曉蕾，北京大學(xué)博士后萬金霞，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)驗室、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院朱英杰實(shí)驗室、俄勒岡健康科學(xué)大學(xué)John T. Williams 實(shí)驗室和Marina E. Wolf實(shí)驗室的通力合作；國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、北京市科委、北京大學(xué)膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、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)基金會所設(shè)立的新基石研究員項目與科學(xué)探索獎等機(jī)構(gòu)和經(jīng)費(fèi)的大力資助和支持。

來源：北京大學(xué)