李毓龙研究组在《Cell》发文展示新型基因编码的多巴胺荧光探针

  

  2018年7月12日,学术期刊《Cell》在线发表北京大学IDG/麦戈文脑科学研究所、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研究组题为“A genetically-encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice”的研究论文。该论文为本期《cell》上的feature article,亮点推荐文章。该研究中,李毓龙研究组开发了新型、可基因编码的多巴胺荧光探针,并将其应用在果蝇、斑马鱼和小鼠中检测内源多巴胺动态变化。该探针将成为研究多巴胺相关神经环路的重要工具。

  

  多巴胺是一种重要的单胺类神经递质。在中枢神经系统中调控了一系列关键的神经功能,包括学习1、奖赏2,3、注意力4和运动控制5等。大脑中多巴胺失调会导致精神疾病或神经退行性疾病,如多动症6、精神分裂症7、帕金森氏病8等。此外,多巴胺相关的神经环路还是成瘾药物如可卡因等的作用靶点9-12。

  

  为更好地研究多巴胺在生理和病理过程中起到的作用,研究人员需要实时检测活体内特定脑区的多巴胺信号变化,然而现有的检测手段并不能满足研究人员的需求。为了解决这个问题,李毓龙研究组开发出了可基因编码的多巴胺探针(GRABDA),将对结构变化敏感的荧光蛋白(cpEGFP)嵌入人源多巴胺受体,使多巴胺这一化学信号转化为荧光信号,结合现有的成像技术,即可实时监测多巴胺浓度的动态变化情况。李毓龙研究组对探针进行了全方位的优化,使具有极高的分子特异性和时空分辨率。此外,他们还开发出了具有高/低亲和力的两种版本的探针(分别命名为DA1h和DA1m),适用于多巴胺释放量不同的脑区。

  

基于G蛋白偶联受体的多巴胺探针

  

  由于该探针具有可基因编码的特性,李毓龙研究组通过转染、病毒注射以及构建转基因动物等手段,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,长时间表达该探针对模式生物的生长状态无明显影响。利用该探针,他们检测到了电刺激小鼠脑片引发的多巴胺释放,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。

  

  7月9日,李毓龙研究组在学术期刊《Nature Biotechnology》在线发表的乙酰胆碱探针与本文中的多巴胺探针有着相似的工作原理。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,这说明此发展策略具有可推广性。这两项工作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。

  

  北京大学生命科学学院李毓龙研究员为本文的通讯作者。李毓龙研究组博士生孙芳妙、曾健智、井淼为共同第一作者;冯杰思、骆奕辰、雍自昊、王欢为此项研究成果做出了重要贡献。该工作的合作者有:中国科学院神经科学研究所的杜久林研究组、徐敏研究组;上海交通大学张思宇研究组;美国国立卫生研究院的崔国红研究组;纽约大学的林大宇研究组;加州大学旧金山分校的Anatol C. Kreitzer研究组。本工作获得了北京大学生物膜与膜生物工程国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金、美国脑计划对李毓龙研究组的大力支持。

  论文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30845-6

  

参考文献

1. Holroyd, C. B. & Coles, M. G. H. The neural basis of human error processing: reinforcement learning, dopamine, and the error-related negativity. Psychol Rev 109, 679-709, doi:10.1037/0033-295X.109.4.679 (2002).

2. Schultz, W. Dopamine reward prediction-error signalling: a two-component response. Nature Reviews Neuroscience 17, 183 (2016).

3. Wise, R. A. Dopamine, learning and motivation. Nature reviews neuroscience 5, 483 (2004).

4. Nieoullon, A. Dopamine and the regulation of cognition and attention. Progress in neurobiology 67, 53-83 (2002).

5. Graybiel, A. M., Aosaki, T., Flaherty, A. W. & Kimura, M. The basal ganglia and adaptive motor control. Science 265, 1826-1831 (1994).

6. Cook Jr, E. H. et al. Association of attention-deficit disorder and the dopamine transporter gene. American journal of human genetics 56, 993 (1995).

7. Howes, O. D. & Kapur, S. The dopamine hypothesis of schizophrenia: version III—the final common pathway. Schizophrenia bulletin 35, 549-562 (2009).

8. Lotharius, J. & Brundin, P. Pathogenesis of Parkinson's disease: dopamine, vesicles and α-synuclein. Nature Reviews Neuroscience 3, 932 (2002).

9. Ritz, M. C., Lamb, R. & Kuhar, M. Cocaine receptors on dopamine transporters are related to self-administration of cocaine. Science 237, 1219-1223 (1987).

10. Di Chiara, G. & Imperato, A. Drugs abused by humans preferentially increase synaptic dopamine concentrations in the mesolimbic system of freely moving rats. Proc Natl Acad Sci U S A 85, 5274-5278 (1988).

11. Giros, B., Jaber, M., Jones, S. R., Wightman, R. M. & Caron, M. G. Hyperlocomotion and indifference to cocaine and amphetamine in mice lacking the dopamine transporter. Nature 379, 606-612, doi:10.1038/379606a0 (1996).

12. Hernandez, L. & Hoebel, B. G. Food reward and cocaine increase extracellular dopamine in the nucleus accumbens as measured by microdialysis. Life sciences 42, 1705-1712 (1988).

  

研究组介绍

 

李毓龙

  北京大学生命科学学院研究员

  北京大学IDG麦戈文脑科学研究所PI

  北大-清华生命科学联合中心PI

  

实验室研究领域:

  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、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。李毓龙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,李毓龙实验室集中于:

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。

2、研究神经元中重要的分泌性囊泡“高密度核心囊泡”的蛋白质组学,分析囊泡内的神经肽组成。这些神经肽对于调节食物摄取、侵犯性行为和生物节律有重要的调节作用。

3、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。

4、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。