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高分辨率熒光傳感器實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)腺苷動態(tài)的多尺度可視化
來源:作者:張楠楠(中國科學(xué)院)來源:中國科學(xué)院 發(fā)表于 2025/5/26

HypnoS:一種超靈敏的細(xì)胞內(nèi)腺苷傳感器。圖片來源:中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(IGDB)


中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(IGDB)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然・通訊》(Nature Communications)發(fā)表研究,詳述了一種新型基因編碼熒光傳感器的開發(fā),可針對細(xì)胞類型特異性地實(shí)時監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)腺苷(iAdo)動態(tài)。


這種名為 “超靈敏細(xì)胞內(nèi)腺苷傳感器”(Hypersensitive intracellular adenosine Sensor, HypnoS)的工具,能夠在活體動物大腦中以高時空分辨率監(jiān)測癲癇發(fā)作或睡眠 - 覺醒周期中的 iAdo 動態(tài)變化。

研究背景與科學(xué)挑戰(zhàn)

細(xì)胞外腺苷(eAdo)和細(xì)胞內(nèi)腺苷(iAdo)通過平衡核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ENTs)形成跨膜信號網(wǎng)絡(luò),其失衡與神經(jīng)退行性疾病、代謝綜合征和腫瘤等密切相關(guān)。然而,傳統(tǒng)技術(shù)在捕捉 iAdo 毫秒級動態(tài)變化及其亞細(xì)胞定位模式上存在局限,導(dǎo)致腺苷的細(xì)胞來源、釋放機(jī)制及跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的具體過程仍存爭議。

技術(shù)突破:HypnoS 傳感器的設(shè)計(jì)與性能

為攻克上述難題,中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所吳昭法團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)王京、李毓龍團(tuán)隊(duì),利用環(huán)形排列增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(cpEGFP)和腺苷脫氨酶(PvADA)設(shè)計(jì)了 HypnoS。通過篩選 3000 多種蛋白變體,最終獲得的傳感器具備以下特性:


超高響應(yīng)幅度:最大熒光響應(yīng)幅度約 900%;

快速動力學(xué):亞秒級動力學(xué)響應(yīng);

高選擇性:對腺苷底物具有高度特異性,且不干擾正常細(xì)胞生理活動。


HypnoS 能夠在活體果蠅和小鼠模型中實(shí)現(xiàn)從單細(xì)胞到全腦組織的多尺度 iAdo 動態(tài)可視化:


病理場景:癲癇研究


結(jié)合活體寬場成像技術(shù),研究團(tuán)隊(duì)在小鼠大腦中以全皮層為空間尺度、高時間分辨率記錄了癲癇發(fā)作期間細(xì)胞內(nèi)腺苷的動態(tài)變化。結(jié)果揭示了細(xì)胞內(nèi)腺苷在癲癇中潛在的神經(jīng)保護(hù)作用。


通過在神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性表達(dá) HypnoS,并利用活體雙光子成像技術(shù),進(jìn)一步在單細(xì)胞分辨率下解析了不同細(xì)胞類型中 iAdo 的動態(tài)差異。


生理場景:睡眠 - 覺醒調(diào)控


研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合光纖記錄與腦電圖、肌電圖,發(fā)現(xiàn)小鼠基底前腦區(qū)在清醒和快速眼動睡眠期間細(xì)胞內(nèi)腺苷水平升高,而非快速眼動睡眠期間降低。


進(jìn)一步研究表明,ENT1/2 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要介導(dǎo)神經(jīng)元中腺苷的釋放,并促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞對腺苷的攝取,揭示了兩種細(xì)胞在睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)控中的分工。這一發(fā)現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)腺苷水平干預(yù)睡眠障礙提供了分子基礎(chǔ)。

科學(xué)意義與應(yīng)用前景

HypnoS 的開發(fā)突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸,為解析腺苷在生理和病理過程中的跨細(xì)胞調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵工具。其多尺度可視化能力不僅深化了對神經(jīng)疾病和睡眠調(diào)控的理解,也為靶向腺苷信號通路的藥物研發(fā)開辟了新方向。

更多信息

相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然・通訊》,標(biāo)題為《高性能熒光傳感器時空揭示體內(nèi)細(xì)胞類型特異性的細(xì)胞內(nèi)腺苷調(diào)控》(A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo),DOI: 10.1038/s41467-025-59530-7。


期刊信息:Nature Communications


來源:中國科學(xué)院


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