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文獻解讀:新型探針解析胞內(nèi)腺苷的在體時空動態(tài)及調(diào)控機制

瀏覽次數(shù):482 發(fā)布日期:2025-5-13  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負


2025年5月7日,北京大學(xué)藥學(xué)院王晶課題組聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所武照伐課題組和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李毓龍課題組,在Nature Communications雜志發(fā)表題為“A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo”的文章,該研究成功開發(fā)了首個用于活體檢測胞內(nèi)腺苷的基因編碼熒光探針HypnoS(Hypersensitive intracellular adenosine Sensor),并借助活體成像與光遺傳技術(shù)等手段,探究了活體動物中胞內(nèi)腺苷時空動態(tài)上的細胞特異性調(diào)控,以及背后的分子調(diào)控機制(圖1)。
 


圖1. HypnoS的設(shè)計、驗證及應(yīng)用總結(jié)

研究團隊基于循環(huán)重排綠色熒光蛋白(cpEGFP)與腺苷脫氨酶(PvADA),在篩選了超過3000個突變體后,成功構(gòu)建了新型熒光探針HypnoS(取名古希臘神話中的“睡神”)。HypnoS具備極高的靈敏度(響應(yīng)幅度>900%)、適宜的親和力(EC50 ~11 μM)、亞秒級動力學(xué)特性及良好的選擇性(圖2),重要的是HypnoS表達對神經(jīng)元的正常生理過程無明顯影響,這些特性使其成為檢測生理和病理條件下胞內(nèi)腺苷變化的理想工具。
 

圖2. HypnoS探針的開發(fā)和體外刻畫。a. 探針的構(gòu)成;b. 探針單光子光譜性質(zhì);c. 探針親和力,其中HypnoS-mut是探針對照;d. 亞秒級別的動力學(xué)特性;e. 優(yōu)異的特異性;f. 探針幾乎不具備酶活性。

在細胞水平上,腦中不同的類型細胞對胞內(nèi)腺苷(iAdo)生成、代謝及釋放的差異仍不明確,胞外腺苷(eAdo)來源于神經(jīng)元還是相鄰的膠質(zhì)細胞在領(lǐng)域內(nèi)存在爭議。利用新型HypnoS的可遺傳編碼特性,作者將HypnoS探針分辨表達在了神經(jīng)元及星形膠質(zhì)細胞,在原代培養(yǎng)的細胞、急性腦片以及自由活動小鼠等多種體系中實現(xiàn)了對iAdo動態(tài)的細胞特異性監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞腺苷的水平、動力學(xué)及釋放存在顯著差異(圖3),提示兩種細胞類型對腺苷穩(wěn)態(tài)的不同貢獻。
 

 

圖3. 檢測原代培養(yǎng)的神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細胞中腺苷及ATP代謝差異。a和b. 神經(jīng)元活動過程中腺苷代謝和ATP能量代謝之間的關(guān)系;c和d. 星形膠質(zhì)細胞鈣活動時胞內(nèi)腺苷的動態(tài)變化。

在病理過程中(如癲癇),腺苷被認為是重要的內(nèi)源性抗驚厥因子。利用新型HypnoS探針結(jié)合在體大視場成像,作者首次在活體小鼠整個大腦皮層尺度可視化了急性癲癇發(fā)作期間iAdo的動態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)iAdo變化顯著滯后于癲癇引發(fā)的神經(jīng)元鈣活動并持續(xù)更長時間,這與iAdo在癲癇發(fā)作后的潛在神經(jīng)保護作用一致(圖4)。進一步地,作者運用活體雙光子成像技術(shù),在單細胞水平解析了iAdo在神經(jīng)元及星形膠質(zhì)細胞中的動態(tài)變化,并發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞能夠以更快的速度降解iAdo(圖4),這一發(fā)現(xiàn)拓展了不同細胞對癲癇期間腺苷代謝調(diào)控機制的理解。

 

 

圖4. 利用HypnoS檢測癲癇發(fā)作過程中胞內(nèi)腺苷的動態(tài)變化。a. 示意圖;b. 結(jié)合大視場成像檢測小鼠癲癇發(fā)作過程HypnoS與鈣信號之間的時空關(guān)系;c. 結(jié)合在體雙光子檢測小鼠癲癇發(fā)作過程中神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細胞胞內(nèi)腺苷動態(tài)差異。

在生理過程中(如睡眠-覺醒),腺苷被認為是調(diào)控睡眠穩(wěn)態(tài)的重要分子。研究團隊利用HypnoS探針結(jié)合光纖和腦電、肌電記錄,在小鼠基底前腦研究中捕捉到清醒與REM睡眠時期胞內(nèi)腺苷升高,NREM睡眠時期下降的現(xiàn)象。研究表明,ENT1/2在神經(jīng)元中主導(dǎo)腺苷釋放,而在星形膠質(zhì)細胞中促進腺苷攝取,揭示了兩種細胞在睡眠穩(wěn)態(tài)中的分工機制(圖5),這一發(fā)現(xiàn)為通過調(diào)控腺苷水平干預(yù)睡眠障礙提供了分子基礎(chǔ)。
 

 

圖5. 睡眠-覺醒周期中胞內(nèi)腺苷的動態(tài)及細胞特異性調(diào)控。a和b. 睡眠-覺醒周期中ENT1/2 介導(dǎo)的腺苷轉(zhuǎn)運在神經(jīng)元中的作用。c和d. 睡眠-覺醒周期中ENT1/2 介導(dǎo)的腺苷轉(zhuǎn)運在星形膠質(zhì)細胞中的作用。

參考文獻:Wei, Q., Bai, Z., Wang, L. et al. A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo. Nat Commun 16, 4245 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59530-7

創(chuàng)作聲明:本文是在原英文文獻基礎(chǔ)上進行解讀,存在觀點偏向性,僅作分享,請參考原文深入學(xué)習(xí)。

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