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让神经肽的消息,变成可见的光

Science · 2023-11-17

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Science · 研究前沿

让神经肽的消息,变成可见的光

一组基因编码传感器把神经肽结合转成荧光,观察从胰岛局部波动到奖励学习和应激中的肽信号,让消息出现的时间与位置更清楚。

AI概念插画:绿色发光细胞轮廓与抽象肽信号,表现神经肽荧光观察;非实际蛋白结构、分子分布或实验数据

把细胞标成“生长抑素细胞”或“CRF细胞”,并不等于知道它们何时释放这些神经肽。消息在哪里出现、持续多久、怎样随行为变化,还需要另一双眼睛。2023年发表于 Science 的研究开发了一组GRAB神经肽传感器,将受体识别肽分子的变化转换成绿色荧光。团队从培养神经元走向胰岛、脑片和活体小鼠,让原先难以捕捉的肽信号,显现出空间分布和时间节奏。

关键发现

研究详细验证SST、CRF、CCK、NPY、NTS和VIP六种传感器,并用SST与CRF呈现胰岛局部信号、奖励相关活动和应激中的肽动态;这些荧光观察反映肽相关变化,与细胞放电或行为因果作用不同。

阅读目录 · 8个部分

把受体的动作,翻译成荧光

多数神经肽受体属于G蛋白偶联受体。肽结合后,受体形状改变。GRAB传感器利用这种变化,让嵌入的荧光模块变亮。研究借助已有传感器中成熟的模块,拓展到不同肽受体,而不是每一种都从头寻找起点。

这一思路适用于两大类受体骨架,经进一步优化,形成多种候选传感器。团队随后详细考察SST、CRF、CCK、NPY、NTS和VIP六种,从“能否发光”走向“能否可靠报告肽信号”。

原论文图 1把受体的动作,翻译成荧光
把受体的动作,翻译成荧光
原论文 Figure 1:受体构象变化与荧光报告模块结合的设计思路,以及多种神经肽传感器的优化与响应。
来源:Huan Wang et al. · Science ·
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灵敏的观察,也要理解它的特性

六种传感器在细胞膜和神经元突起中表达,对相应肽呈现明显响应。信号上升可在亚秒尺度发生,衰减通常更慢。结合与解离的时间特性,决定了荧光怎样跟随细胞周围的肽变化。

选择性继承了受体自身的特点:例如CRF传感器也响应相关肽UCN1,对UCN2、UCN3则没有相同响应。多数传感器下游耦联很弱,CRF传感器仍保留残余耦联;受测细胞转录特征和多项行为指标没有明显改变。

原论文图 2灵敏的观察,也要理解它的特性
灵敏的观察,也要理解它的特性
原论文 Figure 2:SST与CRF传感器的膜定位、剂量响应、选择性、持续信号和下游耦联;受测转录特征相近。
来源:Huan Wang et al. · Science ·
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胰岛里,肽信号并不是整齐地一起上升

培养神经元被激发时,SST传感器信号增加,并与细胞内钙变化相联系。换到分离的小鼠胰岛,葡萄糖升高也引起SST相关荧光增加,但不同位置的变化节奏不同。

有些区域缓慢变化,有些区域出现更强、更频繁的脉冲。单次事件中,信号先在局部热点升高,再向邻近位置扩展;离热点更近的响应更快、更强。胰岛内部的旁分泌消息,由此显现出细致的空间层次。

原论文图 3胰岛里,肽信号并不是整齐地一起上升
胰岛里,肽信号并不是整齐地一起上升
原论文 Figure 3:培养神经元中的SST相关响应,以及葡萄糖刺激下胰岛不同区域的缓慢变化、脉冲和局部信号传播。
来源:Huan Wang et al. · Science ·
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奖励到来之前,记录里出现了另一段信号

在小鼠基底外侧杏仁核,训练早期,奖励到来伴随SST信号短暂上升,惩罚与无结果试次没有类似响应。学习气味与奖励的联系后,记录中还出现气味期间持续到奖励到来的信号。

奖励发生时的响应在训练前后有所变化,提示肽动态与学习阶段相联系。无结果与惩罚试次在两个阶段都没有类似的明显信号。从气味到结果的整段记录,把奖励发生时的响应与到来之前的变化放在了同一时间轴上。

原论文图 4奖励到来之前,记录里出现了另一段信号
奖励到来之前,记录里出现了另一段信号
原论文 Figure 4:奖励、无结果及惩罚试次中的SST动态;训练后奖励预测气味期间可见信号,奖励到来时的响应随训练改变。
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脑片中的CRF,显现出局部扩展

在中央杏仁核脑片,电刺激引起CRF传感信号增加,受测刺激脉冲更多时响应更强。阻断肽结合、采用不响应CRF的传感器或减少局部CRF基因表达,信号相应减弱,支持肽识别相关解释。

时序图像还显示,信号在刺激期间向周边扩展。这个范围可以来自肽扩散,也可能包含新的局部释放。图像呈现的是这些过程叠加形成的总体分布,描述信号影响的局部空间范围。

原论文图 5脑片中的CRF,显现出局部扩展
脑片中的CRF,显现出局部扩展
原论文 Figure 5:脑片中刺激相关CRF信号的幅度、时间变化和空间扩展,肽受体阻断降低响应。
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应激发生时,下丘脑肽信号跟着变化

在下丘脑室旁核,响应型传感器能报告局部施加CRF后的信号,对照突变体没有相同变化。观察应激场景时,尾部悬提伴随时间锁定的信号上升,腹部不适刺激则引起较持久的增加,普通盐水没有类似变化。

不同刺激留下不同时间轮廓。传感器由此让应激不再只是行为测试结束后的一个分数,还能被观察为局部肽信号随时间变化的过程。

原论文图 6应激发生时,下丘脑肽信号跟着变化
应激发生时,下丘脑肽信号跟着变化
原论文 Figure 6:室旁核中的传感器验证,以及尾部悬提和腹部不适刺激伴随的CRF相关信号。
来源:Huan Wang et al. · Science ·
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同一种肽,也能在皮层局部看见

在运动皮层和前额叶成像,尾部刺激引起短暂、可逆的CRF相关荧光增加。被迫跑动开始后,信号上升并保持一段平台,跑动停止后回落;不响应肽的对照信号没有对应增加。

成像区内不同位置可以分别观察,不再只有一个区域平均值。两种应激情境都有信号增加,持续轮廓却不同,肽动态由此可以联系到具体事件来观察。

原论文图 7同一种肽,也能在皮层局部看见
同一种肽,也能在皮层局部看见
原论文 Figure 7:尾部刺激与被迫跑动期间,运动皮层及前额叶局部CRF信号的空间图像与时间变化。
来源:Huan Wang et al. · Science ·
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从细胞身份,走向消息的时间与位置

这套工具把“哪些细胞表达肽”与“肽信号何时出现”区分开来。培养细胞、分离胰岛、脑片与小鼠行为记录共同说明,神经肽消息既可以有局部热点,也可以随奖励和应激呈现不同节奏。

荧光仍带有传感器自身的亲和力和响应时间,也不直接报告天然受体的下游激活。它提供的价值,是让这些消息的发生过程变得可观察,再与细胞活动和行为放在一起理解。

论文信息

Huan Wang, Tongrui Qian, Yulin Zhao, Yizhou Zhuo, Chunling Wu, Takuya Osakada, Peng Chen, Zijun Chen, Huixia Ren, Yuqi Yan, Lan Geng, Shengwei Fu, Long Mei, Guochuan Li, Ling Wu, Yiwen Jiang, Weiran Qian, Li Zhang, Wanling Peng, Min Xu, Ji Hu, Man Jiang, Liangyi Chen, Chao Tang, Yingjie Zhu, Dayu Lin, Jiang-Ning Zhou, Yulong Li
A tool kit of highly selective and sensitive genetically encoded neuropeptide sensors
Science · 2023-11-17
DOI: 10.1126/science.abq8173