北京大学李毓龙团队最新Nature子刊

iNature · 公众号 · · 2025-01-24 09:19

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神经肽和小分子神经递质在单个神经元内的共存和共传递代表了在各种物种中观察到的基本特征。然而，关于它们的体内时空动力学和潜在分子调控的差异仍然知之甚少。

2025年1月18日，北京大学李毓龙团队在 Nature communications 上在线发表题为 “ A high-performance GRAB sensor reveals differences in the dynamics and molecular regulation between neuropeptide and neurotransmitter release ” 的研究论文。 研究开发了一种基于GPCR激活（GRAB）的探针，用于检测具有高灵敏度和时空分辨率的短神经肽F（sNPF） 。

此外，研究了来自相同神经元的sNPF和乙酰胆碱（ACh）之间的体内动力学和分子调控差异。研究结果揭示了sNPF和ACh释放中不同的时空动态。研究结果表明，这两个过程涉及不同的突触结合素（Syt），如Syt7和Sytα用于sNPF释放，而Syt1用于ACh释放。 因此，这种高性能GRAB探针为研究神经肽释放和深入了解区分神经肽与小分子神经递质的独特释放动力学和分子调控提供了强大的工具。

神经元通常利用两类主要的信号分子来传递信息：小分子神经递质，负责快速突触传递，以及主要参与缓慢的非突触传递的神经调节剂。 神经肽代表了人体中最多样化的神经调节剂组，它们通过G蛋白偶联受体（GPCR）发挥其功能。神经肽和小分子神经递质通常储存在大密核心囊泡（LDCV）和突触囊泡（SV）中，它们可能具有不同的属性来控制其活动依赖性释放。早期研究表明，神经肽和小分子神经递质分别诱导交感神经节中的慢速和快速兴奋性突触后电位。有趣的是，神经肽和小分子神经递质存在于同一个神经元中是多种物种中几乎所有神经元的常见现象，提供了一组多样化的调制机制，能够在不同的空间和/或时间尺度上运作，从而实现复杂的行为。然而，以前的大多数研究都检查了不同细胞类型中神经肽的释放和小分子神经递质的单独释放。 因此，人们对它们的时空动力学的潜在相似性或差异以及调节它们在同一神经元内释放的分子机制仍然知之甚少。

果蝇是研究体内神经肽和小分子神经递质调节的优秀模式生物，因为与哺乳动物相比，它的基因组冗余较少，并且具有发达的遗传工具和数据库 。短神经肽F（sNPF）是果蝇中的关键神经肽，在各种生理过程中发挥作用。转录组学，免疫细胞化学和基因驱动系的分析揭示了sNPF，胆碱乙酰转移酶（ChAT）和囊泡ACh转运体（VAChT）在果蝇蘑菇体（MB）的Kenyon细胞（kc）中的富集。这表明神经肽sNPF和小分子神经递质ACh在相同的KCs中共存。这些细胞发挥嗅觉学习中心的作用，sNPF和ACh已被证明对学习和记忆很重要24,27,28。 因此，kc为研究神经肽与小分子神经递质的“共传递”提供了理想的平台。 之前，研究开发、表征并应用了一种基于G蛋白偶联受体（GPCR）激活的ACh探针（简称ACh3.0），用于果蝇的体内研究；然而，体内检测sNPF释放的可比工具仍然不可用。

GRAB 的开发和表征sNPF探针 （摘自 Nature communications ）

已经开发了几种检测体内神经肽释放的方法，每种方法都有自己的优点和缺点。 微透析已被广泛用于测量哺乳动物大脑中神经肽释放的动力学。然而，由于相对较大的嵌入式探针和低采样率，有侵入性的，并且具有较低的时空分辨率。或者，用荧光蛋白或荧光原激活蛋白（FAP）标记的神经肽已用于跟踪神经肽的释放或监测LDCV的融合，这些报告基因为体内神经肽检测提供了良好的细胞特异性和灵敏度。然而，由于荧光标签的分子量通常比神经肽本身大10-100倍，因此这些报告基因不一定反映内源性神经肽的真实动力学。另一种方法是将荧光标签融合到LDCV特异性膜蛋白的管腔侧，为监测神经肽释放提供多功能工具；然而，这种方法缺乏神经肽特异性。TangoGPCR检测也可用于检测体内神经肽的释放，但报告基因表达需要相对较长的时间并且是不可逆的。 最后，CNiFER（基于细胞的神经递质荧光工程报告基因）生物探针需要植入转基因细胞，使其具有高度侵入性且缺乏细胞类型特异性。

最近，利用类似的策略，研究团队和其他团队独立开发了几个系列基因编码的荧光探针，用于检测小分子神经递质和哺乳动物神经肽，具有高度的特异性和时空分辨率。 因此，利用这种方法的可扩展性，研究开发了一种GRAB探针，用于检测果蝇中sNPF的体内动力学。 通过在果蝇MB的KC中表达sNPF和ACh探针并进行体内双光子成像，实时测量sNPF和ACh释放的时空动力学。研究发现sNPF释放与ACh释放表现出不同的时空动态，而sNPF和ACh释放都需要神经元突触素（nSyb）。为了阐明sNPF和ACh释放的分子基础，研究对KCs中的突触结合蛋白家族进行了基于CRISPR/Cas9的筛选，揭示了sNPF释放主要由Syt7和Sytα介导，而ACh释放主要由Syt1介导。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56129-w

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