钙离子荧光探针

近日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室教授章晓辉团队、北师大生命科学学院教授王友军团队与中国科学技大学教授唐爱辉团队合作开发构建了一类新型的检测钙信号的荧光蛋白探针NEMO，具有高灵敏度和反应能力，对钙信号的动态分辨范围有了很大提升。荧光探针在分子生物学研究和开发中越来越受到重视。许多科学家正在医学、制药和绿色生物技术等领域都有应用，荧光探针在很多情况下被描述为荧光化学传感器，荧光探针是具有吸收特定波长的光并发射不同波长的光的小分子，通常是更长的波长（称为荧光的过程），用于研究生物样品。 这些分子可以附着在目标分子上，作为荧光显微镜分析的标记，也称为荧光团。细胞中的一些蛋白质或小分子是天然荧光的，这称为内在荧光或自发荧光，比如绿色荧光蛋白 (GFP)。 蛋白质、核酸、脂质或小分子可以用外在荧光团（一种荧光染料）标记，它可以是小分子、蛋白质或量子点。遗传编码钙离子指示剂（genetically encoded calcium indicators，GECIs），是一种新型的钙离子指示剂，它可以实现在体实验中对钙离子的长时程检测和实时动态检测，并且还可以借助细胞器的特异性定位信号表征某些特定的亚细胞结构的钙离子变化情况。目前常用的荧光蛋白指示剂有Cameleons、TN-XXL、GCaMP、Pericams和Camgaroo等。GCaMP系列蛋白（Single-fluorophore）特别是GCaMP6系列蛋白是最主要的钙离子指示剂。与GCaMP6s相比，NEMOs能够检测到体内SBR峰高2倍、中位SBR峰高4倍的神经元的单动作电位，从而优于大多数现有的最先进的GECIs（蛋白探针）。科学家们发现，通过改变CaM、M13与GFP三个元件之间的连接方式FF0C，连接短肽及互作界面中的关键氨基酸等方式，可改善GECIs的表现。合作团队采用了全新策略构建的新型高灵敏钙离子探针。从增强GECI对钙离子浓度变化的的荧光反应大小出发，合作团队采用亮度更高的新型荧光蛋白mNeoGreen（mNG）来替换广泛使用的cpGFP，结合多种设计及优化策略组合，构建了含几十个候选复合分子的GECI库，并通过系统的钙离子成像筛选和体外鉴定后，最终获得到了一组名为NEMO的新型GECI探针。在领域中首次实现GECI探针对细胞内钙信号的反应幅度超过100倍；同时具有更好的抗光淬灭能力与pH稳定性，并能实现对钙离子水平的绝对定量检测。科学家们用与gcamp6兼容的成像装置检查了在电场刺激下离解大鼠神经元中NEMO传感器的反应(Figure 3)。我们观察到，所有NEMO传感器都能够检测到由单个动作电位(AP)引发的Ca2+信号(Figure 3a)，其峰值SBR大约是gcamp6或gcamp6的两倍。NEMOf足以区分频率高达5 Hz的神经元反应(图3b)。总的来说，NEMO传感器可以作为监测哺乳动物细胞、组织或体内以及植物中Ca2+动态的首选工具。

近日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室教授章晓辉团队、北师大生命科学学院教授王友军团队与中国科学技大学教授唐爱辉团队合作开发构建了一类新型的检测钙信号的荧光蛋白探针“尼莫”（NEMO），该探针具有更强和更精准的定量测定性能。近日，该成果在线发表于期刊《自然-方法》。生命体的许多活动都离不开钙离子（Ca2+）信号分子。细胞内钙离子浓度时空变化被称之为钙信号，它控制或调节各种细胞生命活动。开发灵敏和精准的钙信号检测探针工具对探究生命活动相关的信号机制和规律至关重要。在相关领域内被广泛应用的钙探针主要包括有机小分子类探针和遗传编码的（荧光）蛋白探针（GECIs）。目前最被广泛应用的单荧光GECI工具为GCaMPs系列，它由钙感知和荧光反应两大模块组装构建而成。其中，钙感知模块包含钙结合蛋白（如钙调蛋白CaM）及其靶肽（如M13/RS20），产生荧光变化的模块为环化重排的绿色荧光蛋白cpGFP。科学家们发现，通过改变CaM、M13与GFP三个元件之间的连接方式，连接短肽及互作界面中的关键氨基酸等方式，可改善GECIs的表现。因此，在2001年最初构建的GCaMP1版本上多次迭代改造后，至2023年最新发展的GCaMP8系列具备了显著改善的灵敏度和反应速度，但它们的反应幅度，即对钙信号大小的分辨率和线性动态范围始终有待提高。对此，合作团队采用了全新策略构建的新型高灵敏钙离子探针。从增强GECI对钙离子浓度变化的的荧光反应大小出发，合作团队采用亮度更高的新型荧光蛋白mNeoGreen（mNG）来替换广泛使用的cpGFP，结合多种设计及优化策略组合，构建了含几十个候选复合分子的GECI库，并通过系统的钙离子成像筛选和体外鉴定后，最终获得到了一组名为NEMO的新型GECI探针。与现有的GCaMP系列探针相比，NEMO探针的灵敏度及钙响应幅度有了显著提升，在领域中首次实现GECI探针对细胞内钙信号的反应幅度超过100倍；同时具有更好的抗光淬灭能力与pH稳定性，并能实现对钙离子水平的绝对定量检测。合作团队进一步在对非兴奋性细胞系、分离培养的大鼠神经元、小鼠脑内神经元在体双光子激光成像和深部脑区光纤记录等测试中发现，相比于最新或最广泛使用的GCaMP8s或GCaMP6s，NEMO系列对胞内钙信号的反应速度相当，但更灵敏并具更高的信噪比，且反应幅度提高达约10倍之多。

论文截图9月12日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所生物医学光学与分子影像研究中心储军课题组的最新成果发表于《自然—通讯》。研究人员研发了在活细胞内具有12倍荧光变化的高性能基因编码的cAMP绿色荧光探针(命名为G-Flamp1)。该研究结合显微成像和光纤记录等技术，实时高灵敏监测了果蝇和小鼠等模式生物在特定行为过程中特定神经元的cAMP信号时空动力学变化，探索了cAMP动力学与动物行为之间的内在关联。Nature Methods的审稿人在审稿过程中对该成果给予了高度评价，认为G-Flamp1探针具有非常棒的性质，在荧光探针的性能上具有很大的提升，该探针打开了很多有趣的cAMP信号研究的大门，是非常及时和高质量的研究成果。深圳先进院储军研究员为该论文的通讯作者，深圳先进院助理研究员王亮博士及北京大学邬春灵博士为该论文的共同第一作者。细胞是包括人类在内的绝大部分生命体结构和功能的基本单位。细胞不断地接受周围环境的信号，并将其转变为细胞内相应分子（如蛋白质、有机小分子、离子、DNA和RNA等）的数量、分布和活性状态的变化，从而改变细胞的形态和生物学功能等。该过程的异常则与疾病的发生发展相关。因此，科学家们往往通过检测上述关键分子的时空变化来理解细胞的功能，并阐明相关疾病的发生机制。在该研究中，研究人员选取细胞内重要的第二信使分子环磷酸腺苷(cAMP)作为研究目标。cAMP可传递细胞表面多种G蛋白偶联受体（GPCR）的信息，在学习与记忆、药物成瘾、运动控制、免疫、肿瘤、代谢等过程中发挥重要作用。“活细胞和活体水平的cAMP分子浓度变化的高时空分辨率荧光成像是解析cAMP信号通路及其生物学功能的重要基础。因此，开发高灵敏的cAMP荧光探针成为研究复杂生物过程的关键。”论文通讯作者储军研究员表示。与非基因编码探针（染料和材料类）相比，基因编码探针像正常蛋白质一样，可以定位到生物体特定细胞或特定细胞亚结构，具有低毒性、低背景、可遗传等优点，在生命科学基础研究中具有无可比拟的优势。然而，现有的50多个基因编码的cAMP荧光探针要么灵敏度低（荧光变化最大只有1.5倍），要么荧光亮度较暗，很难监测活体中微弱的内源性cAMP变化，极大地限制了生理和病理状态下cAMP分子调控机理和功能的研究。为了开发适用于活体检测的高灵敏度探针，研究人员将环化重排绿色荧光蛋白(cpGFP)插入细菌MlotiK1通道蛋白的cAMP结合结构域(mlCNBD)中。经过插入位点筛选、连接肽优化、荧光蛋白及感应模块优化，得到了具有高亮度、高灵敏度、合适亲和力和快响应速度等特征的高性能基因编码cAMP绿色荧光探针G-Flamp1。特别的，该探针在活细胞中的荧光变化可达12倍，是目前少数几个在10倍以上的荧光探针之一。随后，研究人员将G-Flamp1探针应用在果蝇这一模式生物中。果蝇脑部蘑菇体(mushroom body)的Kenyon细胞中cAMP信号通路在气味相关的记忆中发挥关键作用。研究人员首先获取了Kenyon细胞中表达G-Flamp1探针的转基因果蝇，然后利用双光子成像发现，果蝇受到气味或电击刺激时，蘑菇体不同子区域呈现不一样的cAMP信号时空变化，暗示不同子区域可能在联想性学习中起着相对独立的作用。为验证G-Flamp1探针在活体动物中检测cAMP 动态变化的实用性，研究人员利用腺相关病毒在小鼠运动皮层中共表达绿色G-Flamp1探针和红色jRGECO1a钙探针。活体双光子成像揭示了跑步运动中细胞特异性的cAMP信号，并与钙信号无明显相关性。这反映了小鼠运动时大脑皮层M1神经元反应的异质性。最后，研究人员在小鼠大脑深部的伏隔核（NAc）脑区中表达G-Flamp1探针，并利用光纤记录听觉巴甫洛夫条件反射任务中该脑区cAMP信号的变化。结果表明，随着训练的熟练，小鼠得到奖赏时cAMP信号幅度在降低，而听到相应声频信号时cAMP信号幅度在升高；该特性与多巴胺信号类似，暗示多巴胺释放引起了cAMP信号。因此，G-Flamp1探针的高信噪比和高时间分辨率能够高灵敏检测到活体小鼠中内源性cAMP信号的动态变化。综上所述，该研究开发了一种适用于活体检测的cAMP荧光探针，并初步揭示了果蝇和小鼠等模式生物在特定行为过程中特定神经元的cAMP信号变化的规律，为进一步理解cAMP信号的调控和功能奠定了基础。“与广泛使用的钙离子探针GCaMP相比，G-Flamp1才仅仅只是开始，目前已有几十家国内外实验室在使用G-Flamp1，未来将会有更多实验室利用G-Flamp1来研究复杂的生物学问题。”论文通讯作者储军研究员表示。在未来研究中，研究团队将进一步提高探针性能，开发适用于不同应用场景的下一代高灵敏cAMP探针，并利用其揭示活细胞和活体中cAMP信号的规律、调控机制及生物学功能。与此同时，结合高内涵药物筛选平台，研究团队开发的新型探针也将尝试应用于针对GPCR受体的药物筛选，以期发现更多的具有临床价值的GPCR药物。