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NBT（IF=68）| 北京大学李毓龙团队开发高灵敏、高时空分辨的催产素释放传感器

2023-01-03 iNature iNature 发表于陕西省

催产素催产素释放传感器
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催产素(Oxytocin，OT)是一种肽激素和神经调节剂，参与中枢神经系统和外周的多种生理和病理生理过程。

催产素(Oxytocin，OT)是一种肽激素和神经调节剂，参与中枢神经系统和外周的多种生理和病理生理过程。然而，对大脑中空间OT释放的调控和功能序列仍然知之甚少。

2023年1月2日，北京大学李毓龙课题组在Nature Biotechnology杂志发表题为“A genetically encoded sensor measures temporal oxytocin release from different neuronal compartments”的研究论文，该研究开发了一种高灵敏度的OT特异性G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptor activation-based, GRAB)激活基础(GPCR activation-based, GRAB)传感器，GRABOT1.0（简称为OT1.0）。

该研究不仅在体外使用这种传感器来识别不同脑区中OT释放的机制。还对行为小鼠的传感器进行了成像，发现在雄性小鼠交配行为的离散方面，特定区域的OT释放。总之，这项工作扩大了神经递质和神经调节剂基因编码传感器的工具箱，以阐明大脑中肽能信号的机制。

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神经元通信通常被描述为一个单向过程，树突接收和整合输入信息，体细胞将信号转化为动作电位，然后传播到轴突末梢释放神经递质。然而，除了经典的轴突释放外，一些神经化学物质，如GABA (γ-氨基丁酸)、多巴胺和神经肽，也会发生生长树突性释放，以相互调节周围的神经元和调节重要的生理功能。进化上，下丘脑室旁(paraventricularPVN)和视上(supraoptic，SON)核中的古代大细胞神经分泌细胞(magnocellular neurosecretory cells，MNCs)对神经分泌机制的理解做出了广泛的贡献，已被证明可以从轴突和躯体树突区释放催产素(OT)或精氨酸垂体后叶激素(arginine vasopressin，AVP)。
 
OT被认为可以调节外周神经系统和中枢神经系统的一系列生理过程。在哺乳动物的大脑中，OT主要由位于下丘脑的PVN、SON和副核的神经元产生。在这些大脑区域合成的OT从垂体后叶释放到血液循环中，作为一种激素，通过OT受体(OT receptors，OTRs)调节分娩和哺乳，OTRs分别在子宫和乳腺中高表达。除了投射到脑垂体，OT神经元还在整个大脑中发送轴突，轴突释放的OT调节啮齿动物的食物摄入、恐惧、攻击、社交、性和母性行为，而生长树突性OT释放与泌乳和子宫收缩期间的自分泌功能有关。与OT的各种生理作用一致，OT信号调节的改变与各种负面情绪状态和状况有关，如压力、社交健忘症、自闭症谱系障碍和精神分裂症。
 
不同脑区的OT释放显示出不同的功能，而且体细胞树突的OT释放也可以通过细胞内Ca2+的动员来启动，然而这对轴突的OT释放没有报道。因此，OT很可能独立于每个隔室释放。然而，即使已经开发了几种测量OT释放的方法，但OT释放室控制的分子机制在很大程度上尚不清楚。例如，几十年来，微透析一直用于监测自由活动动物的细胞外OT。基于细胞的OT检测使用表达OTRs的外源性“嗅探细胞”来“嗅探”OT，并报告其细胞内Ca2+水平增加。最近开发的基因编码OT传感器OTR-iTango2利用光诱导激活报告基因表达来测量下游信号，荧光OT传感器MTRIAOT已被报道。然而，这些方法并不能在高时间和空间分辨率下对OT动态进行敏感、特异性和非侵入性监测。
 
在这项研究中，研究人员运用GRAB探针策略 (GPCR-Activation Based Sensor)，将循环重排的绿色荧光蛋白cpGFP嫁接到催产素受体OTR的第三个胞内环，通过对不同物种来源的OTR的筛选和连接肽段的系统优化，最终基于牛的催产素受体开发得到了一种基于基因编码的G蛋白偶联受体激活(G-protein-coupled receptor activation-based，GRAB) OT传感器，称为GRABOT1.0。与以前的方法相比，GRABOT1.0能够在体内和体外对OT释放进行成像，具有合适的敏感性、特异性和时空分辨率。
 
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图1. GRABOT传感器的研制及脑切片中活动依赖的OT释放（图源自Nature Biotechnology ）
 
进一步使用该传感器可视化了小鼠大脑切片中特定神经元脑区刺激诱导的OT释放，并发现N型钙通道主要介导轴突OT释放，而l型钙通道介导生长树突OT释放。此外，在急性小鼠脑切片中，研究人员发现OT1.0可以探测特定神经元脑区的OT释放，即VTA中的轴突OT释放和PVN中的生长树突OT释放。利用这一工具，确定了轴突和生长树突神经元脑区OT释放的差异分子机制。最后，在自由活动的雄性小鼠的一系列基于纤维光度计的实验中，显示了在交配行为的特定阶段，不同大脑区域的OT释放差异。
 
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图2. 显示轴突和生长树突OT释放的分子基础的模型（图源自Nature Biotechnology ）
 
总的来说，该研究报道了一种用于监测细胞外OT在体外和体内的遗传编码荧光指示器的开发和特性。OT1.0传感器具有较宽的动态范围，与其他神经递质和神经肽相比，对OT具有良好的灵敏度和选择性，具有较高的空间和时间分辨率，且可忽略的下游耦合。OT1.0为脑区OT释放在生理和行为功能中的作用提供了见解。
北京大学生命科学学院李毓龙教授为本文通讯作者，北京大学生命科学学院博士研究生钱统瑞、博士毕业生王欢和首都医科大学附属北京朝阳医院的王鹏博士为本论文的共同第一作者，北京大学博士研究生耿岚、王蕾等对文章做出了重要贡献。
 
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41587-022-01561-2

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