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神經遞質探針


1.研究背(bei)景

人類(lei)大腦約有860億(yi)個神(shen)(shen)經(jing)元(yuan),這些神(shen)(shen)經(jing)元(yuan)由數萬億(yi)個突觸連接在(zai)一(yi)起(qi)。神(shen)(shen)經(jing)元(yuan)的主要功能是接收、整合(he)和傳(chuan)遞信息。它(ta)們通過電化學信號進行(xing)(xing)交流,并形成神(shen)(shen)經(jing)網絡,從(cong)而控制動物的認知和行(xing)(xing)為。

神(shen)經(jing)科學研究(jiu)的(de)重點(dian),就是從(cong)細(xi)胞和分(fen)子水平了解神(shen)經(jing)元如何相互連(lian)接和交(jiao)流,這對于解析動物認知和行(xing)為背后的(de)神(shen)經(jing)環路具有重大(da)意義。興(xing)(xing)(xing)奮(fen)是神(shen)經(jing)系統信息傳遞(di)的(de)方式,神(shen)經(jing)纖維(wei)受到刺(ci)激后,膜內(nei)外電位(wei)會產生一(yi)系列變(bian)化而產生興(xing)(xing)(xing)奮(fen),興(xing)(xing)(xing)奮(fen)產生后先在同一(yi)個神(shen)經(jing)元上以(yi)動作電位(wei)的(de)形(xing)式傳導(dao),興(xing)(xing)(xing)奮(fen)跨過突(tu)觸(chu)間隙時通過電化學信號的(de)轉變(bian),再(zai)傳遞(di)到下一(yi)個神(shen)經(jing)元。

突觸處有兩種類型的化學信使,神經遞質和神經調質。神經遞質通過突觸間隙擴散,特異地作用于突觸后細胞上的受體,從而完成信息傳遞功能。而神經調質則與突觸后細胞上的受體結合后,增強或削弱遞質的效應,從而調節突觸信息傳遞。例如,谷氨酸和γ-氨基丁酸等神經遞質結合突觸后細胞上的受體后,可以迅速地使突觸后神經元去極化或超極化,進而直接調控這些神經元的活動。對(dui)于(yu)神經調質,它(ta)們大多與(yu)GPCRs結合(he)后誘(you)發突(tu)(tu)觸(chu)前(qian)或(huo)突(tu)(tu)觸(chu)后電位,不直接引起突(tu)(tu)觸(chu)后生(sheng)物學效應(ying),但能調節遞(di)質在突(tu)(tu)觸(chu)前(qian)的(de)釋放及突(tu)(tu)觸(chu)后細胞的(de)興奮(fen)性(xing),調節突(tu)(tu)觸(chu)后細胞對(dui)遞(di)質的(de)反應(ying)。

操控和檢測神經元之間的交流是神經科學研究的主要手段,許多遺傳工具已經被開發出來,這些遺傳工具通過腺相關病毒(AAV)等病毒載體用于神經環路的操控和成像。目前,工具被用來直接操控突觸前神經元動作電位的產生,用于檢(jian)測突觸后神經元內的信號傳遞。然而,高靈敏度(du)、高特異性和(he)高時空(kong)分辨率的神經遞質(zhi)(zhi)和(he)神經調質(zhi)(zhi)檢(jian)測技術還不成熟。

傳統的(de)(de)(de)神經(jing)遞(di)質檢測(ce)技術,主要是通過微透析對腦脊液進(jin)(jin)行采樣并生化監測(ce)、通過碳(tan)纖電極進(jin)(jin)行記(ji)錄(lu),這(zhe)些檢測(ce)手(shou)段(duan)各自存在諸多弊端,例如特異性差、靈敏度低和時空分辨率差,難以(yi)精確反(fan)映神經(jing)遞(di)質的(de)(de)(de)真實(shi)動態信息等。為了解決這(zhe)一系列的(de)(de)(de)問題,眾多神經(jing)科學家一直在致力(li)于優化已(yi)有的(de)(de)(de)方法或(huo)者開發新的(de)(de)(de)技術,以(yi)求彌補短板(ban),取得突(tu)破。

2.開發&原理

自(zi)2018年起(qi),北京大學李毓龍教授課題組通過偶聯GPCR和循環重排熒光蛋白cpFP開發出了很多檢測神經遞質的可遺傳編碼的熒光探針。神經遞質與GPCR的結合會引起后者構象的改變,而這種變化又會引起cpFP發生構象改變,進而影響其發色團周圍的微環境,最終導致其熒光強度的改變,這種熒光變化可以通過熒光顯微鏡檢測到(Fig 1a和1b)。這些可遺傳編碼的熒光探針被命名為GRAB(GPCR Activation-Based)探針,用于以較高的時空分辨率在體檢測神經遞質的動態變化。

Fig1a:綠色神經遞質探針(cpEGFP-based)的工作原理 Fig1b:紅色神經遞質探針(cpmApple-based)的工作原理


3.探針特征(zheng)(已發表(biao))

探針名稱

所檢測神經
化學物質

版本

顏色

骨架

親和力

信號響應幅度

動力學

下游
信號偶聯

參考
文獻

Ach2.0

乙(yi)酰膽(dan)堿

第一代

綠色

人M3受(shou)體

EC50~1uM

ΔF/F0~90%

τon~200ms,
τoff~800ms

弱(ruo)偶(ou)聯

[8]

Ach3.0

乙酰膽堿

第二代

綠色

人M3受(shou)體

EC50~2uM

ΔF/F0~280%

τon~112ms,
τoff~580ms

幾乎不偶(ou)聯

[3]

Ach3.0-mut

乙酰(xian)膽堿

第二代(dai)對照

綠色

人M3受體

EC50~0uM

(W200A突變)

ΔF/F0~1.8%

-

-

[3]

DA1m

多巴胺

第一代

綠色

人D2受體(ti)

EC50~130nM
中等親和力

ΔF/F0~90%

τon~60ms,
τoff~700ms

幾乎(hu)不偶聯

[7]

DA1h

多(duo)巴胺

第一(yi)代

綠色

人D2受體

EC50~10nM
高親和力

ΔF/F0~90%

τon~140ms,
τoff~2500ms

幾乎不偶聯

[7]

DAmut(1st)

多巴(ba)胺

第一代(dai)對(dui)照

綠色

人D2受體

EC50~0uM

C118A和S193N突變

無(wu)效(xiao)應

-

-

[7]

DA2m(DA4.4)

多巴胺(an)

第二(er)代

綠色

人D2受(shou)體

EC50~90nM
中等親(qin)和力

ΔF/F0~340%

τon~40ms,
τoff~1300ms

非常小的(de)偶聯

[2]

DA2h(DA4.3)

多(duo)巴胺

第(di)二(er)代

綠色

人D2受體

EC50~7nM
高親和力

ΔF/F0~280%

τon~50ms,
τoff~7300ms

非(fei)常小(xiao)的(de)偶聯(lian)

[2]

DAmut(2nd)

多巴胺

第二代(dai)對(dui)照(zhao)

綠色

人D2受體

EC50~0uM

C1183.36A和S1935.42N突(tu)變(bian)

無效應(ying)

-

-

[2]

rDA1m (rDA2.5m)

多巴胺

-

紅色

人D2受體(ti)

EC50~95nM
中等親和力

ΔF/F0~150%

τon~80ms,
τoff~770ms

非常小的偶(ou)聯

[2]

rDA1h (rDA2.5h)

多巴胺

-

紅(hong)色

人D2受體

EC50~4nM
中等親和力(li)

ΔF/F0~100%

τon~60ms,
τoff~2150ms

非(fei)常小的(de)偶聯

[2]

rDAmut (rDA2.5mut)

多巴胺

對照

紅色

人D2受體

EC50~0uM

C1183.36A和S1935.42N突變

無效(xiao)應

-

-

[2]

NE1m(NE2.1)

去甲腎上腺素

-

綠色

人a2A受(shou)體

EC50~930nM
中(zhong)等親和力

ΔF/F0~230%

τon ~70ms,
τoff~ 750ms

不偶聯

[6]

NE1h(NE2.2)

去甲腎(shen)上腺(xian)素(su)

-

綠色

人(ren)a2A受體

EC50~83nM
高(gao)親和力

ΔF/F0~130%

τon ~30ms,
τoff~ 2000ms

不偶聯

[6]

NEmut

去甲(jia)腎(shen)上腺素

對照

綠色

人a2A受體

EC50~0uM

S5.46A突變

無(wu)效應(ying)

-

-

[6]

Ado1.0

腺苷(gan)

-

綠色

人A2A受體

EC50~60nM

ΔF/F0~130%

τon~36ms,
τoff~1890ms

幾乎不偶聯

[4]

Ado1.0mut

腺苷(gan)

對照

綠色

人A2A受體

EC50~0uM

F168A突變

無效應

-

-

[4]

5-HT1.0

五羥色胺

-

綠色

人5-HT2C
受體

EC50~22nM

ΔF/F0~250%

τon~0.2s,
τoff~3.1s

不偶(ou)聯

[1]

5-HTmut

五羥色(se)胺

對(dui)照(zhao)

綠色

人5-HT2C
受(shou)體

EC50~0uM

D1343.32Q突變

無效應(ying)

-

-

[1]



4.探針資源

在李教授組的授權下,山東維真生物可以出售這些探針的病毒產品(AAV產品為主),以幫助神經科學工作者在體內檢測乙酰膽堿(ACh)、多巴胺(DA)、去甲腎上腺素(NE)、五羥色胺(5-HT)、組胺(HA)、腺苷(Ado)、腺苷三磷酸(ATP)、血管活性腸肽(VIP)、膽囊收縮素(CCK)、神經肽Y(NPY)、促腎上腺皮質激素釋放因子(CRF)、精氨酸血管加壓素(AVP)、催產素(OXT)、生長激素抑制素(SST)、神經降壓肽(NTS)、內源性大麻素(eCB)、大麻素(AEA)和褪黑素(MT)等各種遞質的動態變化,歡迎大家點擊“AAV工具” 中的“神經遞質探針”進行選購!!!



5.探針載體獲取

以上所(suo)述所(suo)有GRAB探(tan)針(zhen)(zhen)均由北京(jing)大學(xue)李(li)毓(yu)龍組研(yan)發(fa)(fa)或聯合開(kai)發(fa)(fa)。部分探(tan)針(zhen)(zhen)已經(jing)發(fa)(fa)表,部分探(tan)針(zhen)(zhen)尚(shang)未(wei)發(fa)(fa)表。李(li)毓(yu)龍組不僅開(kai)發(fa)(fa)了這些探(tan)針(zhen)(zhen),還開(kai)發(fa)(fa)了這些探(tan)針(zhen)(zhen)的(de)Cre依(yi)賴和突變版本,包括紅色(se)和綠色(se)的(de)熒光信(xin)號,以滿足(zu)神經(jing)科學(xue)工作者多(duo)樣化的(de)實驗(yan)需求。此外,為了提升探(tan)針(zhen)(zhen)的(de)性能,這些探(tan)針(zhen)(zhen)還在持續優化中,不斷更(geng)新(xin)迭(die)代。

以(yi)上探針(zhen)(zhen)均由(you)維(wei)真生物協助提供。其中(zhong)已發表的(de)探針(zhen)(zhen)(產品(pin)編號中(zhong)含PUB的(de)病(bing)毒(du)為文章(zhang)中(zhong)所用病(bing)毒(du)),維(wei)真生物均有現貨,當天(tian)上午(wu)下單(dan),下午(wu)/次日即可(ke)發貨;若由(you)于產品(pin)脫(tuo)銷無庫(ku)存,1-2周即可(ke)完成(cheng)入庫(ku)并(bing)發貨;您(nin)可(ke)以(yi)通過公(gong)司(si)技術熱線400-077-2566訂購。

如若您對未發表的探針或者探針序列(lie)感興趣,您也(ye)可通過上述方(fang)式與我們(men)聯系,,我們(men)將在第一時間幫您與李(li)教授組溝(gou)通,征得(de)李(li)教授組的同(tong)意之后,我們(men)也(ye)可以出(chu)售(shou)給您。


6.探針病毒使用

由于血腦屏障的存(cun)在(zai),普通的注(zhu)(zhu)射方(fang)式很難(nan)實現病毒在(zai)腦區較高且(qie)特(te)異性的表達,因此研究者(zhe)通常(chang)需要借(jie)助腦立體(ti)定位儀(yi)將探(tan)針病毒注(zhu)(zhu)射至特(te)定腦區(詳見(jian)Fig 2),以(yi)感染全腦和局(ju)部腦區。

Fig2:腦立體定位注射的示意圖
(Van der Perren, A., et al, V. J. Vis. Exp. (108), e53670, doi:10.3791/53670 (2016) 



腦立體定位注射的詳細步驟如下:

1. 實驗動物稱重(zhong),進行麻醉;

2. 待實驗動物(wu)完全(quan)麻醉后,用(yong)剃毛(mao)器將動物(wu)頭頂眼睛至耳朵(duo)之間的(de)毛(mao)發剃除(chu)干凈(jing);

3. 將(jiang)麻醉(zui)后的實(shi)驗(yan)動物(wu)(wu)固(gu)定于腦立體(ti)定位儀上(shang),具體(ti)操作為:實(shi)驗(yan)動物(wu)(wu)眼部(bu)涂抹青霉素眼藥(yao)膏以保護其(qi)雙眼;將(jiang)門(men)齒掛在門(men)齒掛鉤上(shang),確(que)保頭部(bu)保持固(gu)定;檢(jian)查左(zuo)右(you)耳(er)桿是(shi)否在同一水平上(shang),將(jiang)左(zuo)右(you)耳(er)桿通過外耳(er)道插入實(shi)驗(yan)動物(wu)(wu)耳(er)內。實(shi)驗(yan)動物(wu)(wu)固(gu)定好的標準為:鼻(bi)對(dui)正(zheng)中,頭部(bu)不動,提尾不掉(diao),目測(ce)大腦放置(zhi)水平;

4. 手術:用碘(dian)伏對實(shi)驗(yan)動物(wu)頭皮進行(xing)消(xiao)毒(du)清(qing)理,用手術刀沿中間位置剪開(kai)頭皮,用鑷子對表(biao)面的結締組織(zhi)進行(xing)清(qing)理,暴(bao)露實(shi)驗(yan)動物(wu)的顱骨表(biao)面;然(ran)(ran)后(hou)進行(xing)調(diao)平(ping)(ping),首先找到前(qian)囟這個坐標,并將其歸零,然(ran)(ran)后(hou)向左(zuo)右調(diao)平(ping)(ping),使左(zuo)右兩側(ce)處(chu)于同一水平(ping)(ping),調(diao)整前(qian)后(hou)囟,使前(qian)后(hou)囟也在同一水平(ping)(ping)。

5.病(bing)(bing)毒(du)注(zhu)射(she)(she):通(tong)過查詢實(shi)驗動(dong)物的(de)(de)(de)腦立體定(ding)(ding)(ding)位(wei)(wei)圖譜確定(ding)(ding)(ding)待注(zhu)射(she)(she)腦區的(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(Fig 3a和3b是大(da)鼠(shu)和小鼠(shu)的(de)(de)(de)腦譜),并確定(ding)(ding)(ding)其坐(zuo)標值,即ML值(X軸(zhou)(zhou))、AP值(Y軸(zhou)(zhou))、DV值(Z軸(zhou)(zhou));根(gen)據目標腦區設定(ding)(ding)(ding)好(hao)坐(zuo)標,移開(kai)注(zhu)射(she)(she)針,用顱(lu)骨鉆開(kai)窗(由于(yu)顱(lu)骨薄,故(gu)務必注(zhu)意顱(lu)骨鉆的(de)(de)(de)力度!!),操作時避免傷及腦組織;微量注(zhu)射(she)(she)器吸(xi)取病(bing)(bing)毒(du)液(ye),隨后固定(ding)(ding)(ding)在定(ding)(ding)(ding)位(wei)(wei)儀上(shang),根(gen)據設好(hao)的(de)(de)(de)坐(zuo)標進行(xing)病(bing)(bing)毒(du)注(zhu)射(she)(she),注(zhu)射(she)(she)速度控制在0.1-0.15μl/min,注(zhu)射(she)(she)劑(ji)量視(shi)具體實(shi)驗而(er)定(ding)(ding)(ding)。注(zhu)射(she)(she)完(wan)畢,留(liu)針10min,以便病(bing)(bing)毒(du)液(ye)充分吸(xi)收,然后慢(man)慢(man)回針。

Fig3a:The Rat Brain Fig3b:The Mice Brain


6. 縫合頭皮并消毒, 完成腦定位注射; 將動物從腦立體定位儀取下, 回籠待蘇醒; 動物蘇醒后, 正常喂養, 病毒注射后2-4周可檢測轉基因的表達



7.常見問題解答

7.1 使用探針AAV病毒注射時,我該使用多大的病毒量?
考慮到病毒批次間的差(cha)異,我們建議您(nin)直接注射(she)未稀釋的病毒原液200-400nl/site。

7.2 神經遞質探針在大鼠中是否能像在小鼠中一樣表達得很好?
神經遞質探針在大鼠中(zhong)也可以很(hen)好地工作。根據李(li)教授組已發表的論文,這(zhe)些(xie)探針可以用在多種有機(ji)體中(zhong),包括(kuo)果(guo)蠅、斑馬(ma)魚、老(lao)鼠和斑馬(ma)雀等。

7.3 你們是否也有廣譜啟動子或其他組織特異性啟動子的探針AAV病毒?
有些探針在開發時已構建了廣譜啟(qi)動子(zi)或其他組織(zhi)(zhi)特(te)異性啟(qi)動子(zi)的載(zai)體,如(ru)(ru)CAG,EFs,EF1α,CamKIIα,GfaABC1D和TRE等,具體可(ke)以(yi)參考探針資(zi)源部分的表2。當然(ran),如(ru)(ru)果(guo)您(nin)對其他組織(zhi)(zhi)特(te)異性啟(qi)動子(zi)感興趣(qu)(qu),請參考我們(men)(men)的組織(zhi)(zhi)特(te)異性啟(qi)動子(zi)列表(見下表)來選擇您(nin)感興趣(qu)(qu)的啟(qi)動子(zi)。如(ru)(ru)果(guo)您(nin)找(zhao)不到想用的啟(qi)動子(zi),可(ke)以(yi)聯系我們(men)(men)。

組織

啟(qi)動(dong)子名稱

啟動子
大小

啟動子
來源

啟動子描述(shu)

啟動子應用

神經(jing)

hSyn

471bp

人源

突觸蛋白(bai)1啟動子

神經元(yuan)特(te)異性啟動(dong)子

CamKIIa

1.2kb

小鼠

鈣(gai)(gai)/鈣(gai)(gai)調蛋(dan)白依賴性蛋(dan)白激(ji)酶II α啟動(dong)子

大腦(nao)新皮質和海馬興奮(fen)性神經元特異性啟動子

c-fos

1.7kb

小鼠

c-fos基因啟動子

興奮性(xing)神經元啟動子(zi)

Mecp2

230bp

小鼠

甲基 CpG 結(jie)合蛋白 2啟動子(zi)

短的神(shen)經元(yuan)特異性啟(qi)動子

NSE

1.3kb

小(xiao)鼠

烯醇化酶啟動子

神經元特異性啟動子

Somatostat(SST)

1.2kb

人源(yuan)

生長抑制素(su)I基因(yin)的啟動子

 gamma氨(an)基丁(ding)酸能抑制性(xing)神經(jing)元SST亞型特異性(xing)啟動子

TH

2.5kb

大鼠

酪氨(an)酸(suan)羥(qian)化酶基(ji)因啟動(dong)子 

多巴(ba)胺能神經元(yuan)特異性啟(qi)動子(zi)

GFAP

2.0kb

人源

膠質纖維酸性蛋(dan)白啟(qi)動子

星形膠質細胞特異(yi)性啟動子

GFAP104

845bp

人源

EF1a和GFAP的嵌合(he)型啟動子

星形(xing)膠質(zhi)細胞特異(yi)性啟動子

GfaABC1D(truncated GFAP)

681bp

人(ren)源

膠質纖維酸性蛋(dan)白啟動子(zi)

星形(xing)膠質細胞特異性啟動(dong)子

ALDH1L1

1.3kb

人源(yuan)

  醛脫(tuo)氫酶(mei)1家族(zu)成員(yuan)L1啟動(dong)子

丘腦中星形膠質細胞特異(yi)性啟動(dong)子(zi)

MBP

1.3kb

人源

髓磷脂堿性蛋白啟動子

少突膠(jiao)質細胞特(te)異性(xing)啟動子

肝臟(zang)

ALB

2.4kb

小鼠

白(bai)蛋白(bai)啟動子

肝臟(zang)特(te)異性啟動子

TBG

460bp

人源(yuan)

甲(jia)狀腺素結合球蛋白(bai)啟動(dong)子(zi)

肝臟特異(yi)性啟動子

ApoEHCR-hAAT

1.3kb

人源

載脂(zhi)蛋(dan)白E的肝細胞控制(zhi)區和人α1抗胰蛋(dan)白酶啟(qi)動子(zi)的嵌合(he)啟(qi)動子(zi)

肝臟特異(yi)性啟動子(zi)

心臟

aMHC

0.4kb

小鼠

肌(ji)球蛋(dan)白重鏈α啟(qi)動子

心臟特異性啟動子

cTNT+intron

0.7kb

心肌肌鈣蛋白(bai)T啟動(dong)子

心肌特異性(xing)啟動子

眼(yan)睛

Rep65

0.7kb

小鼠

視網膜(mo)色素上皮(pi)65啟動子

視網膜色(se)素上皮細胞特異性啟(qi)動子

VMD2 promoter

0.65bp

人(ren)源

卵黃(huang)形成黃(huang)斑性營(ying)養不良2基(ji)因啟(qi)動子

視(shi)網膜色素上皮(pi)細(xi)胞特(te)異(yi)性啟動(dong)子

胰腺(xian)

Insulin

0.85kb

小鼠

胰島素基因啟(qi)動(dong)子

胰腺β細胞特異性(xing)啟動子

PDX1

2.7kb

小(xiao)鼠

胰十二指腸同(tong)源盒1啟動子

胰(yi)腺β細胞(bao)特(te)異性啟動(dong)子(zi)

血管

SM22a

0.45kb

小鼠(shu)

SM22α啟動子

血(xue)管(guan)平滑肌特異性(xing)啟(qi)動子

ICAM2

0.15kb

人(ren)源

細胞間粘附分子2啟動子

血管內皮特異性啟動子(zi)

CD68

0.7kb

人源

CD68分(fen)子啟動(dong)子

單(dan)核(he)巨噬細胞(bao)特異(yi)性啟(qi)動子

F4/80

1.2kb

小鼠(shu)

F4/80基因promoter

巨噬細胞(bao)特異(yi)性啟動子

肌肉

MCK

1.3kb

小(xiao)鼠

肌(ji)酸激酶基(ji)因(yin)啟(qi)動子

肌肉細胞特異(yi)性(xing)啟(qi)動子

3×enhancer McK

728bp

小鼠(shu)

修改的肌酸激酶基因啟動子(zi)

肌肉細胞特異性(xing)啟動子

腎臟

NPHS1

1.2kb

小鼠

Nephrin 1基因(yin)啟動子

腎(shen)臟特異性啟動子


7.4 你們探針AAV病毒的最小規格是多少?
我們的(de)探針AAV病毒(du)是(shi)(shi)按照50μl/支(zhi)的(de)規格進行分裝的(de),因(yin)此出售(shou)的(de)最(zui)小(xiao)規格是(shi)(shi)50μl。

7.5 AAV血清型很多,你們有其他血清型的探針AAV病毒嗎,比如逆行AAV血清型?
對于大多數神經遞質探針,我們通常將其包裝成AAV9血清型,目前還沒有嘗試逆行AAV血清型。如果您需要逆行血清型,我們也可以幫您包裝。目前我們可以為您包裝AAV1,AAV2, AAV5,AAV6,AAV7,AAV8,AAVrh10,AAV retro,AAV ANC80,AAV DJ & AAV DJ-8,AAV PhpB & AAV PhpeB,AAV 7m8和AAV shh10等血清型



8.參考文獻

8.1 Wan, J., et al. (2021). "A genetically encoded sensor for measuring serotonin dynamics." Nat Neurosci.

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8.3 Jing, M., et al. (2020). "An optimized acetylcholine sensor for monitoring in vivo cholinergic activity." Nat Methods 17(11): 1139-1146.

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