新探针 | 新一代乙酰胆碱探针可实现活体胆碱能信号的灵敏检测

注：新版GRABACh3.0 探针现已在bioRxiv的预印本上发布（点击阅读原文可跳转）。该文章第一作者及共同通讯作者井淼现为北京脑科学与类脑研究中心（CIBR）青年学者。

乙酰胆碱（ACh or Acetylcholine）作为经典神经递质，在生物体的诸多生理功能如肌肉收缩、心血管功能调节以及高级脑功能如学习记忆、睡眠觉醒等过程中扮演重要的角色。精细地了解乙酰胆碱在不同生理学过程中的变化及作用机理离不开对其在特定脑区、特定细胞动态变化的实时观测。然而，传统对乙酰胆碱的检测方法受限于低灵敏度、低时空分辨率等问题，难以对乙酰胆碱在动物体内，尤其是行为过程中的乙酰胆碱信号变化提供足够精确的信息。

基于GRAB探针策略，即将神经递质特异的G蛋白偶联受体结合配体后的激活转变为荧光信号变化的策略，实验室之前的工作成功构建了第一个能够活体检测乙酰胆碱动态变化的荧光探针，GRABACh2.0（ACh2.0）,其可实现对体外和体内乙酰胆碱的快速及特异的荧光检测（Jing M, et al., Nature Biotechnology, 2018）。本工作旨在进一步提高乙酰胆碱探针的检测灵敏度，我们在已有探针的基础上进行了系统性突变筛选，最终获得了新版本探针，命名为GRABACh3.0 （ACh3.0）。

我们在培养神经元、急性小鼠脑片和活体转基因果蝇等一系列系统中对ACh3.0和ACh2.0进行了系统的比较。ACh3.0在结合乙酰胆碱后表现出接近300%的最大荧光变化量，比ACh2.0探针的反应增大了三倍以上（图一，a）。同时，应用ACh3.0探针可观测到果蝇嗅觉中枢蘑菇体在接受特定刺激后表现出空间特异的乙酰胆碱信号，暗示乙酰胆碱信号可能通过不同的时空特征来进行信息编码（图一，b）。

图一：新一代乙酰胆碱探针ACh3.0具有明显提高的检测灵敏度

进一步，我们在活体自由活动小鼠的大脑不同核团内，通过光纤记录或微型化双光子显微成像的方法对其在特定行为时的胆碱能信号进行检测。获益于新一代ACh3.0探针的高灵敏度、快速动力学特性以及良好的检测特异性，我们成功地记录了在小鼠接受脚部电击时杏仁核处乙酰胆碱水平的迅速升高，以及在小鼠睡眠-觉醒的不同时相中海马区乙酰胆碱信号的实时变化（图二）。

图二：应用ACh3.0检测睡眠-觉醒不同时相中海马区乙酰胆碱的实时变化

总而言之，新一代乙酰胆碱探针具有更加优秀的检测灵敏度，适用于对活体动物中胆碱能信号进行实时特异的追踪。这对于进一步了解乙酰胆碱信号在生理过程中的功能提供了重要的研究工具。

感谢华中科技大学的李浩洪教授、上海神经所的徐敏研究员、北京大学的程和平院士、陈良怡教授以及加拿大西安大略大学（Western Ontario University）的Marco Prado教授在本课题中的合作与支持！

本文中的ACh3.0探针获取方式详见实验室网站：

http://www.yulonglilab.org/resources_cn.html

文案 | 井淼

排版 | 韦宇