神经肽是内分泌和神经系统中重要的信号分子，调控着许多重要的生理过程。了解神经肽在体内的功能需要具有高特异性、灵敏度和时空分辨率的监测其动态的能力。然而，由于缺乏直接、灵敏和非侵入性的工具，这一直受到阻碍。
2023年11月17日，北京大学李毓龙团队在Science 在线发表题为“A tool kit of highly selective and sensitive genetically encoded neuropeptide sensors”的研究论文，该研究开发了一系列基于G蛋白偶联受体激活的探针，用于检测生长抑素(SST)、促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)、胆囊收缩素(CCK)、神经肽Y (NPY)、神经紧张素(NTS)和血管活性肠肽(VIP)。这些荧光探针能够检测纳米摩尔浓度下的特定神经肽结合，为研究神经肽在生理和病理生理条件下的释放、功能和调节建立了一个强大的工具包。
总之，这些探针在细胞系和初级神经元中对各自的配体具有高度敏感、特异性和强大的反应，而不影响内源性信号通路。这些新工具提供了机会来解决关于神经肽的关键问题，它们的功能，以及它们在健康和疾病中的作用。
神经肽在近70年前首次被确定为内分泌系统中的激素调节剂，并被认为是中枢和外周组织中非常有效的信号分子。在大脑中，神经肽调节多种生理功能，如消化、代谢、睡眠和昼夜节律、生殖和高级认知过程。因此，主要由G蛋白偶联受体(GPCRs)介导的神经肽信号为药物靶向治疗失眠、疼痛、肥胖和糖尿病等多种疾病提供了关键位点。
测量体内神经肽的时空动态对于理解它们的功能和调节这些关键信号分子的机制至关重要。然而，目前检测大脑中多肽的方法要么缺乏必要的时空分辨率，要么不适合在体内应用。因此，内源性肽的精确时空动态和释放模式仍然知之甚少。
神经肽荧光探针的研制与应用（图源自Science ）
基因编码荧光探针已被证明适用于测量体内高时空分辨率的信号分子动力学。例如，基于细菌周围质结合蛋白(PBP)的探针已被开发用于检测神经递质，如谷氨酸、乙酰胆碱和血清素。然而，肽和蛋白质的相应PBPs不太可能存在。因此，产生具有高亲和力和选择性的肽感测PBPs将需要大量的生物工程和筛选。值得注意的是，大多数神经肽受体都是GPCR受体，而肽或蛋白GPCR配体占人体所有非嗅觉GPCR配体的70%。多肽GPCRs可以为产生具有高灵敏度和选择性的遗传编码传感器提供宝贵的机会。
之前，研究人员开发并表征了几种基于GPCR激活(GRAB)的强度生物探针，使用GPCR作为配体传感单元，循环排列绿色荧光蛋白(cpGFP)作为报告模块，用于检测小分子递质和一些肽，包括催产素和食欲素。开发这些GRAB探针的策略包括筛选受体第三胞内环3 (ICL3)内的最佳cpGFP放置位点；然而，考虑到大量的肽和蛋白GPCR(人类表达131个)以及GPCR之间ICL3的高度可变性(范围从2到211个氨基酸)，为每个GPCR开发和优化GRAB探针将是高度劳动密集型的。然而，尽管ICL3中存在这种结构变化，肽GPCR在激活时经历了共同的结构变化，在a类和B1类肽GPCR中都观察到跨膜6 (TM6)的向外移动。
神经肽工程荧光指示剂的一般方法（图源自Science ）
因此，在先前优化的GRAB探针中使用含有整个cpGFP的ICL3生成的肽GPCR可能保留了激活诱导的构象变化与荧光增加耦合的能力，从而加速了各种GRAB肽探针的发展。该研究使用这种策略开发了一系列用于检测具有纳米摩尔亲和力的神经肽的GRAB探针。这些探针能够以单细胞空间分辨率和亚秒时间分辨率揭示肽动力学。
参考消息：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abq8173
