科学家开发新型荧光探针为生物医学研究提供高性能工具

近日，中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所(以下简称医工所)生物医学光学与分子影像研究中心研究员储君研究组开发出一种在活细胞中荧光变化12倍的高性能基因编码环磷酸腺苷(cAMP)绿色荧光探针(G-Flamp1)。本研究结合显微成像和光纤记录技术，高灵敏度地实时检测果蝇、小鼠等模式生物特定神经元中环磷酸腺苷(cAMP)信号的时空动态变化，探索cAMP动态与动物行为的内在联系。相关研究论文近日发表在《自然·通讯》上。

细胞是包括人类在内的大多数生物结构和功能的基本单位。细胞会不断接收周围环境的信号，相应地改变细胞内蛋白质、有机小分子、离子、DNA、RNA的数量、分布和活性，从而改变自身的形态和生物学功能。这一过程的异常与疾病的发生发展有关。因此，科学家往往通过检测上述关键分子的时空变化来阐明相关疾病的发病机制。

在这项研究中，研究人员选择了细胞中重要的第二信使分子环磷酸腺苷作为研究目标。环磷酸腺苷(cAMP)能传递细胞表面各种G蛋白偶联受体的信息，在学习记忆、药物成瘾、运动控制、免疫和代谢中起重要作用。

“活细胞和活体内环磷酸腺苷分子浓度变化的高时空分辨率荧光成像，是分析环磷酸腺苷信号通路及其生物学功能的重要基础。因此，开发高灵敏度的环磷酸腺苷荧光探针成为研究复杂生物过程的关键。”储君说。

与非基因编码探针相比，基因编码探针与正常蛋白质一样，可以定位生物体的特定细胞或特定细胞亚结构，具有低毒性、低背景、可遗传性等优点。他们在生命科学基础研究方面有着无可比拟的优势。然而，现有的50多个基因编码的环磷酸腺苷荧光探针要么灵敏度低，要么荧光较暗，难以监测体内内源性环磷酸腺苷的微弱变化，极大地限制了人们对环磷酸腺苷在生理和病理条件下的分子调控机制和功能的研究。

为了开发一种适用于体内检测的高灵敏探针，研究人员将环状重排绿色荧光蛋白插入细菌MlotiK1通道蛋白的环磷酸腺苷结合结构域(mlCNBD)。经过插入位点的选择、连接肽的优化、荧光蛋白和传感模块的优化，研究人员获得了一种亮度高、灵敏度高、亲和力合适、响应速度快的高性能基因编码的环磷酸腺苷绿色荧光探针(G-Flamp1)。该探针在活细胞中的荧光变化可达12倍，是目前为数不多的荧光变化超过10倍的荧光探针。

随后，研究人员将探针应用于果蝇和小鼠等模型生物。结合双光子成像和光纤记录技术，该探针可以高灵敏度地检测环磷酸腺苷信号的动态变化。

在未来的研究中，研究团队将进一步完善探针的性能，开发适合不同应用场景的下一代高灵敏cAMP探针，并利用它们揭示活细胞和活体中cAMP信号的规律性、调控机制和生物学功能。

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