人体中有上百种神经肽，它们在调节新陈代谢、疼痛感知、睡眠与昼夜节律、情绪和学习等多种生理功能中发挥着重要作用。神经肽信号传导的异常与许多疾病有关，如失眠、糖尿病和抑郁症。为了深入了解神经肽在生理条件和疾病中的功能，开发具有高时空分辨率的神经肽检测技术至关重要。然而，目前开发神经肽荧光探针的策略仍然存在一些局限，例如效率低、成本高、难以扩展等。
2023年11月17日，北京大学李毓龙实验室在Science杂志在线发表了题为A tool kit of highly selective and sensitive genetically encoded neuropeptide sensors的研究论文报道了一种利用包含荧光报告模块的第三胞内环（Intracellular loop 3， ICL3）嫁接的策略，高效可通用地开发了一系列神经肽荧光探针工具包。
李毓龙团队基于GRAB探针策略 (GPCR-Activation Based Sensor)，已先后开发了针对胆碱类、单胺类、嘌呤类和脂类神经递质/调质的荧光探针。在该项研究中，研究人员将含有荧光报告模块的ICL3从一种现有的神经递质探针中移植到另一种GPCR中。这种嵌合体在与受体配体结合后也会发生构象变化，从而改变荧光强度。利用这种策略，研究人员开发了一系列神经肽的荧光探针，包括生长抑素（somatostatin, SST）、促肾上腺皮质激素释放因子（corticotropin-releasing factor, CRF）、胆囊收缩素（cholecystokinin, CCK）、神经肽Y（neuropeptide Y, NPY）、神经紧张素（neurotensin, NTS）和血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide, VIP）。
研究人员发现，基于去甲肾上腺素（NE）探针GRABNE的ICL3具有较好的移植适配性，并将GRABNE的ICL3替换移植到神经肽GPCR中，通过少量优化后开发了对应的神经肽GRAB探针。这些神经肽探针能够以纳摩尔级灵敏度检测特定的神经肽；并且在表达这些探针后都没有观测到对神经元活动、细胞转录组和动物行为的显著性影响。
此研究进一步详细展示了SST和CRF探针的应用价值。具体而言，作者使用SST1.0探针检测培养的大鼠皮层神经元和小鼠胰岛中内源的SST释放，并揭示了小鼠在条件学习过程中基底外侧杏仁核（basal lateral amygdala, BLA）脑区的SST动态变化。此外，作者将CRF1.0探针表达在小鼠的中央杏仁核（central amygdala, CeA）脑区，CRF1.0探针可靠地报告了小鼠急性脑切片中电刺激引发的CRF释放。运用光纤记录技术，作者使用CRF1.0探针在活体小鼠的下丘脑室旁核（paraventricular nucleus of hypothalamus，PVN）中监测到脑室灌注CRF和应激刺激时CRF水平的变化。进一步运用双光子成像的方式，作者在应激刺激下观测到小鼠运动皮层和前额叶皮质中CRF的时空动态变化。
综上所述，此研究报道了一种利用ICL3嫁接的方法，实现神经肽荧光探针的快速和可扩展开发。利用此策略，论文中开发了一系列GRAB探针用于实时监测常见研究的神经肽的动态变化（包括CRF、SST、CCK、NTS、NPY和VIP），并展示了GRAB SST1.0和CRF1.0探针能够以优良的灵敏度、选择性和时空分辨率在体外和体内监测神经肽的动态变化。这种灵活的工程策略和经过优化的神经肽探针工具包为研究多种神经肽在生理和病理状态下的释放、调控和功能铺平了道路。
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后王欢、博士毕业生钱统瑞为本论文的共同第一作者；北京大学副研究员赵玉琳、博士研究生卓一洲、耿岚、傅升韪、鄢羽岐、王蕾等对文章做出了贡献。该工作得到了中国科学技术大学的周江宁实验室，美国纽约大学的Dayu Lin实验室，中国科学院深圳先进技术研究院的朱英杰实验室，北京大学的汤超实验室、陈良怡实验室，以及华中科技大学的江漫实验室的通力合作。
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原文链接：
https://www.doi.org/10.1126/science.abq8173
