深圳子科生物報道：2019年1月14日，學術期刊《eLife》 在線發(fā)表北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯合中心、PKU-IDG/麥戈文腦科學研究所李毓龍研究組題為“PARIS, an optogenetic method for functionally mapping gap junctions”的研究論文。該研究中，李毓龍研究組開發(fā)了新型、可基因編碼的縫隙連接探針，并將其應用在細胞系、心肌細胞和果蠅中檢測特定細胞間的縫隙連接通訊。

縫隙連接是一種重要的跨細胞通道，可以介導分子量小于約1kD的小分子（如cAMP，IP3，Glucose等第二信使）或離子（H+，Ca2+，K+等）在細胞間的擴散。這種通道廣泛地存在于包括脊椎動物和無脊椎動物的各類組織和器官中，介導細胞間的化學和電學信號傳遞，從而調控發(fā)育、維持穩(wěn)態(tài)，保證生物體各個系統的正常工作。中樞神經系統中縫隙連接被稱為電突觸，是除化學突觸之外的另一種重要的神經元傳遞信息的方式，參與嗅覺、視覺信息處理、認知和睡眠功能等。

圖1.PARIS檢測縫隙連接的原理

由于現有技術的局限，電突觸在大腦中的精確分布和不同腦區(qū)中行駛的功能目前仍然缺乏研究。為了更好地研究縫隙連接在復雜系統中的分布及生理和病理條件下的功能，研究人員需要一種非侵入的手段檢測組織或活體內特定細胞間的縫隙連接。為了實現這種需求，李毓龍研究組開發(fā)出了可基因編碼的光遺傳學縫隙連接檢測工具（PARIS），利用縫隙連接對質子的導通性，以質子作為信號分子，將光控的質子泵（ArchT）和質子敏感的熒光蛋白（pHluorin）分別表達在縫隙連接耦合的細胞中。通過光激活質子泵產生跨細胞的質子梯度，通過pHluorin的熒光變化檢測兩個細胞間的縫隙連接通訊。

圖2.運用PARIS檢測果蠅嗅覺系統神經元之間的縫隙連接

由于該工具具有可基因編碼的特性，李毓龍研究組通過多種手段將探針表達在不同的樣品中，結果表明PARIS可以可靠地在細胞系、心肌細胞以及轉基因果蠅的神經系統中重復地檢測縫隙連接通訊。在果蠅的不同嗅覺神經元中，PARIS信號表現出高度的時間和空間分辨率，亞細胞水平地揭示了神經元之間通過樹突構成的電突觸。此外他們還進一步優(yōu)化了PARIS系統，通過生物信息學篩選找到了比ArchT膜定位更優(yōu)異、光靈敏約25倍的新質子泵，擴展了PARIS在體應用的前景。該方法首次實現了運用完全遺傳編碼的方法在特異的細胞類型中非侵入地對縫隙連接通訊進行成像。它結合了光學的高度的時空操縱性和遺傳學的特異性，為研究縫隙連接通訊的在體分布、不同生理活動下的功能及調節(jié)提供了更多的可能性。

北京大學生命科學學院李毓龍研究員為本文的通訊作者。李毓龍研究組CLS博士畢業(yè)生吳玲為第一作者，CLS博士研究生董傲、董利婷為此項研究成果做出了重要貢獻。該工作的合作者還包括生命科學學院王世強研究組。本工作獲得了北京大學生物膜與膜生物工程國家重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心、國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家自然科學基金和青年千人計劃的資助。

研究組介紹

李毓龍：

北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯合中心，麥戈文腦研究所研究員

實驗室研究領域:

人的大腦由數十億的神經元組成，后者又通過數萬億的突觸組成復雜的神經網絡。不同種類的神經元經過或遠或近的投射，通過突觸與其他神經元進行信息交流，實現感知覺、決策和運動等高級神經功能。

研究大腦的最大挑戰(zhàn)在于腦的高度復雜性。我們實驗室集中在神經元通訊的基本結構突觸上，從兩個層面上開展研究：一是開發(fā)前沿的工具，即開發(fā)新型成像探針，用于在時間和空間尺度上解析神經系統的復雜功能；二是借助先進的工具探究突觸傳遞的調節(jié)機制，特別是在生理及病理條件下對神經遞質釋放的調節(jié)。

具體而言，對于工具開發(fā)，我們集中于：

1-結合光遺傳學和熒光成像，無損傷性的研究神經元之間的電突觸連接。電突觸的異?？蓪е露@、癲癇、腦部腫瘤和心臟功能異常等疾病。

2-開發(fā)可遺傳編碼的檢測神經遞質/調質的熒光探針。神經遞質/調質是神經元化學突觸傳遞的關鍵介導分子，與感知、學習和記憶以及情緒密切相關。

利用上述熒光探針，我們的功能性和生理性的研究集中于：

1-結合生物信息學、分析化學、生物化學、生理學和成像學方法，系統地探索和鑒定潛在的新型小分子神經遞質。

2-研究神經元中重要的分泌性囊泡“高密度核心囊泡”的蛋白質組學，分析囊泡內的神經肽組成。這些神經肽對于調節(jié)食物攝取、侵犯性行為和生物節(jié)律有重要的調節(jié)作用。

3-尋找上述新型化學遞質/調質小分子的對應受體，即尋找“孤兒”受體的配體。

4-結合雙光子成像和可遺傳編碼的熒光探針，使用果蠅和小鼠作為模式生物，研究嗅覺傳導或睡眠過程中腦的工作機制。