深圳子科生物報道：2019年1月14日，學(xué)術(shù)期刊《eLife》 在線發(fā)表北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、PKU-IDG/麥戈文腦科學(xué)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(yīng)用在細(xì)胞系、心肌細(xì)胞和果蠅中檢測特定細(xì)胞間的縫隙連接通訊。

縫隙連接是一種重要的跨細(xì)胞通道，可以介導(dǎo)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(xì)胞間的擴(kuò)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(dǎo)細(xì)胞間的化學(xué)和電學(xué)信號傳遞，從而調(diào)控發(fā)育、維持穩(wěn)態(tài)，保證生物體各個系統(tǒng)的正常工作。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中縫隙連接被稱為電突觸，是除化學(xué)突觸之外的另一種重要的神經(jīng)元傳遞信息的方式，參與嗅覺、視覺信息處理、認(rèn)知和睡眠功能等。

圖1.PARIS檢測縫隙連接的原理

由于現(xiàn)有技術(shù)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(fù)雜系統(tǒng)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(nèi)特定細(xì)胞間的縫隙連接。為了實現(xiàn)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(xué)縫隙連接檢測工具（PARIS），利用縫隙連接對質(zhì)子的導(dǎo)通性，以質(zhì)子作為信號分子，將光控的質(zhì)子泵（ArchT）和質(zhì)子敏感的熒光蛋白（pHluorin）分別表達(dá)在縫隙連接耦合的細(xì)胞中。通過光激活質(zhì)子泵產(chǎn)生跨細(xì)胞的質(zhì)子梯度，通過pHluorin的熒光變化檢測兩個細(xì)胞間的縫隙連接通訊。

圖2.運(yùn)用PARIS檢測果蠅嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)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(dá)在不同的樣品中，結(jié)果表明PARIS可以可靠地在細(xì)胞系、心肌細(xì)胞以及轉(zhuǎn)基因果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)中重復(fù)地檢測縫隙連接通訊。在果蠅的不同嗅覺神經(jīng)元中，PARIS信號表現(xiàn)出高度的時間和空間分辨率，亞細(xì)胞水平地揭示了神經(jīng)元之間通過樹突構(gòu)成的電突觸。此外他們還進(jìn)一步優(yōu)化了PARIS系統(tǒng)，通過生物信息學(xué)篩選找到了比ArchT膜定位更優(yōu)異、光靈敏約25倍的新質(zhì)子泵，擴(kuò)展了PARIS在體應(yīng)用的前景。該方法首次實現(xiàn)了運(yùn)用完全遺傳編碼的方法在特異的細(xì)胞類型中非侵入地對縫隙連接通訊進(jìn)行成像。它結(jié)合了光學(xué)的高度的時空操縱性和遺傳學(xué)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(diào)節(jié)提供了更多的可能性。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(xiàn)。該工作的合作者還包括生命科學(xué)學(xué)院王世強(qiáng)研究組。本工作獲得了北京大學(xué)生物膜與膜生物工程國家重點(diǎn)實驗室、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家自然科學(xué)基金和青年千人計劃的資助。

研究組介紹

李毓龍：

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心，麥戈文腦研究所研究員

實驗室研究領(lǐng)域:

人的大腦由數(shù)十億的神經(jīng)元組成，后者又通過數(shù)萬億的突觸組成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。不同種類的神經(jīng)元經(jīng)過或遠(yuǎn)或近的投射，通過突觸與其他神經(jīng)元進(jìn)行信息交流，實現(xiàn)感知覺、決策和運(yùn)動等高級神經(jīng)功能。

研究大腦的最大挑戰(zhàn)在于腦的高度復(fù)雜性。我們實驗室集中在神經(jīng)元通訊的基本結(jié)構(gòu)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(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜功能；二是借助先進(jìn)的工具探究突觸傳遞的調(diào)節(jié)機(jī)制，特別是在生理及病理條件下對神經(jīng)遞質(zhì)釋放的調(diào)節(jié)。

具體而言，對于工具開發(fā)，我們集中于：

1-結(jié)合光遺傳學(xué)和熒光成像，無損傷性的研究神經(jīng)元之間的電突觸連接。電突觸的異常可導(dǎo)致耳聾、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(jīng)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)的熒光探針。神經(jīng)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)是神經(jīng)元化學(xué)突觸傳遞的關(guān)鍵介導(dǎo)分子，與感知、學(xué)習(xí)和記憶以及情緒密切相關(guān)。

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(jié)合生物信息學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)和成像學(xué)方法，系統(tǒng)地探索和鑒定潛在的新型小分子神經(jīng)遞質(zhì)。

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

3-尋找上述新型化學(xué)遞質(zhì)/調(diào)質(zhì)小分子的對應(yīng)受體，即尋找“孤兒”受體的配體。

4-結(jié)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(dǎo)或睡眠過程中腦的工作機(jī)制。