2022年10月30日23:14:15 科學 1866

“這篇論文一共經歷了三位審稿人，評價都很正面。因為我們所開發的探針是目前全世界少數幾個在細胞中的靈敏度達到十倍以上的，所以第一位審稿人認為這項工作實現了巨大的飛躍。

第二位審稿人則認為該探針各方面性能都很好，能為研究環磷酸腺苷（cAMP，cyclic AMP）相關信號通路的生物學家提供強大的工具，開啟研究 cAMP 的大門。”談及論文審稿人的評價，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所生物醫學光學與分子影像研究中心儲軍研究員信心十足地表示。

圖 | 儲軍（來源：資料圖）

藉助蛋白理性設計和定向進化等前沿技術，儲軍及團隊開發了基於熒光蛋白的環化重排探針。這個被稱為 G-Flamp1 的基因編碼探針，在活體細胞內的熒光變化可達 12 倍，擁有很高的靈敏度，較高的亮度，適當的親和力以及快速響應動力學等優勢，能夠高靈敏監測到大腦內的內源性 cAMP 信號變化。

2022 年 9 月 12 日，相關論文以《一種用於體內 cAMP 成像的高性能基因編碼熒光指示劑》（A high-performance genetically encoded fluorescent indicator for in vivo cAMP imaging）為題在 Nature Communications 上發表[1]。

中國科學院深圳先進技術研究院助理研究員王亮博士和北京大學博士後鄔春靈共同擔任論文第一作者，儲軍擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

用基因編碼探針追蹤 cAMP 的時空動態變化

cAMP 是細胞中非常關鍵的一類分子，能發揮調節細胞內多種功能活動的作用，也被稱作“第二信使”。

“如果我們把細胞內的諸多分子看作一個網絡，第二信使就是將網絡信號傳給其他終端的節點，而 cAMP 就是其中一個節點。”儲軍解釋道。

cAMP 與免疫、代謝、藥物成癮等人體內的生理過程密切相關。因此，要想深入研究這些過程，需在活體內實時監測 cAMP 信號的變化。

為探尋分子的變化，研究人員主要從時間和空間這兩個維度出發進行研究。不過，如何在活體內追蹤 cAMP 分子的變化，是需要解決的關鍵問題。

只需開發光學分子探針，再配合先進的光學顯微成像技術，就能對分子變化進行實時動態非侵入式的監測。

目前，全世界已開發出約 50 個類似 cAMP 探針，但因各自存在的局限，並不能很好地解決問題。比如，探針靈敏度較低，信號變化僅有 1.5 倍，難以追蹤活體內分子變化；或是，探針光亮較暗，很難幫助研究人員理解生理或病理過程與 cAMP 之間的關係。

正是在此背景下，基因編碼探針 G-Flamp1 得以被開發。其不具備基於納米材料、染料等類型的探針會有的高毒性、不可遺傳等缺點，可以很好地定位到細胞內的任一具體位置，並完美地反映活體內某一行為下 cAMP 的變化過程。

圖 | G-Flamp1 原理圖及體外表徵（來源：Nature Communications）

利用 G-Flamp1，儲軍團隊測試了果蠅和小鼠在不同行為下 cAMP 變化的過程。

首先，在受到氣味刺激的條件下，為探究果蠅腦蘑菇體中 Kenyon 細胞里的 cAMP 分子能否發揮作用，研究人員藉助雙光子成像技術，發現果蠅腦蘑菇體不同子區域所呈現出的 cAMP 時空動態變化不同。

圖 | 通過雙光子成像技術，G-Flamp1 揭示了果蠅受生理刺激誘發的 cAMP 動力學（來源：Nature Communications）

接着，該團隊想了解 G-Flamp1 在活體中監測與生理相關的 cAMP 變化的效用，就在小鼠運動皮層神經元中共表達 G-Flamp1 和紅色鈣離子探針 jRGECO1a 。藉助雙光子成像技術，G-Flamp1 展示了受到運動誘導後的小鼠運動皮層神經元的 cAMP 信號的變化。

圖 | （來源：Nature Communications）

隨後，為測試 G-Flamp1 監測大腦底部區域 cAMP 變化的能力，儲軍團隊使用纖維光度法，測量小鼠大腦里伏隔核(NAc，nucleus accumben)中的 cAMP 水平。其首先將表達 G-Flamp1 的腺相關病毒注入 NAc，並使用光纖光度法測量熒光信號，同時訓練小鼠執行條件反射任務。

結果顯示，水獎賞實驗里的 G-Flamp1 信號在學習過程中，表現出了特徵性動力學。具體來說，在整個訓練過程中，水誘發反應的幅度減小，而對獎賞預測聲音的反應逐漸增加。這一動態變化模擬了經典條件反射時期的多巴胺信號，表明 NAc 中 cAMP 的增加主要是由多巴胺釋放驅動的。

（來源：Nature Communications）

解決基礎生物醫學難題，積極推進相關成果轉化

該成果主要有以下兩方面的應用。

從基礎研究來看，科學家利用 G-Flamp1 可以解決目前很多基礎的生物醫學問題，比如探究藥物成癮或學習記憶中 cAMP 的變化規律。

從成果轉化來看，利用 G-Flamp1，科學家可以快速高通量地篩選與 G 蛋白偶聯受體（GPCRs，G Protein-Coupled Receptors）相關的藥物。

其中，值得一提的是，GPCRs 是目前最大的一個藥物靶標，由美國食品藥品監督管理局批准的藥物中，超過三分之一的藥物都針對 GPCR 這一類家族蛋白。再加上由於 cAMP 是 GPCR 的一個下游分子，所以當有藥物對GPCR 進行激活或抑制時，其下游的 cAMP 的濃度就會發生變化。綜上，這或將成為一個非常廣泛的應用。

2015 年 3 月 15 日，儲軍從美國回到深圳。彼時，他期待在國內開展世界頂尖級的工作，並發表高質量論文。一開始，仍以熒光蛋白為主要研究方向，後來他發現難以實現較大突破後，將目光聚焦到基於熒光蛋白的環化重排探針，並將 cAMP 分子探針確定為主攻方向。

儲軍採用環化重排熒光蛋白這項最為前沿的技術，來構建具備高性能的新型探針。他說：“這個原理非常簡單，但做起來會很困難。因為做這個探針有點類似於篩選藥物，需要經過大量的高通量篩選，也會面臨較多的不確定因素。”

經過一年半的努力，他和課題組開發出一個熒光變化約有 20% 的 cAMP 探針，但這與世界上最好的探針仍有較大差距。經過漫長的優化過程後，最終，其得到了熒光變化為 1200% 的 cAMP 探針 G-Flamp1。

回顧整項研究，儲軍非常難忘且深有感觸。他表示，這篇論文之所以能夠發表，離不開學界很多教授和老師提供的無私幫助，課題組成員的堅持不懈以及其背後家人的大力支持。

關於這項研究的後續計劃，儲軍及課題組將從以下三個方面出發。

第一，優化或提升探針性能，滿足不同生物醫學場景的需求。

第二，開發長波長的 cAMP 探針，並聯合其他短波長探針，同時監測某一特定行為下兩個不同分子的變化。

第三，充分發揮探針的工具屬性，利用探針解決更多尚未解決的生物學問題。

同時，該課題組也希望能與國內致力於開發原創新葯的企業合作，利用其探針進行藥物篩選，在中國進行藥物的自主研發。

參考資料：

1.L.Wang, C.Wu, W.Peng, Z.Zhou.et al. A high-performance genetically encoded fluorescent indicator for in vivo cAMP imaging. Nat. Commun.(2022). https://www.nature.com/articles/s41467-022-32994-7

由 DeepTech 攜手《麻省理工科技評論》重磅推出的《科技之巔：全球突破性技術創新與未來趨勢（20 周年珍藏版）》已開啟預售！點擊下方海報可預購圖書！