新方法可直观检测生理条件下的血清素变化
Nat Methods |
血清素（又名五羟色胺，英文名为Serotonin或5-HT）在积极情绪中起着重要的作用，是负责快乐、放松和自信的主要神经递质。大多数脑细胞直接或间接受到血清素的影响，它调节着我们的情绪、社会行为、性欲、睡眠、记忆和学习能力。现有医学研究显示，血清素含量降低很可能是导致抑郁和焦虑的原因之一。由于血清素在生物体中的重要调节作用，其一直是生物学家最为关注的神经递质之一。在神经系统以外，血清素也是一种重要的信号分子。譬如在胰岛中，血清素能调控胰岛功能和控制胰岛素的分泌。目前，科学家主要利用微透析（Microdialysis）或循环伏安法（Cyclic Voltammetry）来测定生物体血清素变化，进而研究血清素生物学功能。这些方法在实时性、专一性和可视化程度上受到极大限制。
2021年2月25日，美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的艾辉旺（Huiwang Ai）课题组在Nature Methods杂志上发表了文章A fast, high-affinity fluorescent serotonin biosensor engineered from a tick lipocalin，报道了一种新型基因探针，可用来检测生物体自然生理活动下血清素的动态变化。这一新型探针为进一步揭示血清素生物学功能提供专一性强、反应迅速的可视化工具。
研究人员利用来自于软蜱（Argas monolakensis）的血清素天然结合蛋白，通过基因重组、定向进化等技术，开发出新型血清素探针，G-GESS。该探针对血清素有较快的反应速率和较高的亲和力，可以实时检测纳摩尔浓度级别的血清素。此外，对于传统检测方法专一性问题，该新型探针对多巴胺，去甲肾上腺素，乙酰胆碱等神经递质均无明显反应。利用这一探针，研究人员观测到胰腺β细胞（MIN6）在葡萄糖刺激下可释放血清素；另外，諾香草胺可刺激神经母瘤细胞（SH-SY5Y）释放血清素。该探针也用于检测组织水平和活体生物在生理条件下血清素的变化。该探针可检测到活体脑片在高频电刺激后释放的血清素，表明该探针可用于检测自发生理条件下血清素的变化。利用这一特性，该课题组研究了MDMA、氟伏沙明和利血平对活体小鼠脑皮层血清素的刺激作用。同时，利用该探针揭示了恐惧条件刺激下，小鼠前额皮层内血清素对恐惧条件刺激的反应，表明恐惧条件刺激可瞬时增加小鼠前额皮层血清素含量。
预计这一新型血清素探针可进一步帮助科学家揭示血清素的生物学功能，也可以促进基于血清素的安眠药和抗精神病、偏头痛、肥胖、糖尿病的药物研发。不同于基于G-蛋白偶联受体蛋白
(GPCRs)
和细菌周质结合蛋白（PBPs）的神经递质探针，该研究证明基于脂质运载蛋白（lipocalin）的探针具有反应速度快，亲和力强，专一性好，分子较小等特点。因为自然界中脂质运载蛋白有较高的多样性，而且一些实验室和公司也在开发基于脂质运载蛋白骨架的抗体类似物，该研究提示可以进一步发展出更多类别的基于脂质运载蛋白的探针用于检测多样的生物活性分子或者其他目标分析物。
这一研究的共同第一作者为弗吉尼亚大学的博士生张駪（已毕业）和博士后李昕宇。其他作者包括弗吉尼亚大学的在读博士生赵晟宇和蒙塔拿州立大学的合作者Mikhail Drobizhev。
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