GRAB神经递质荧光探针

GRAB神经递质荧光探针特点

  1. 高灵敏度;
  2. 高特异性;
  3. 高时间空间分辨率;
  4. 非侵入性;
  5. 无需另外搭建检测设备,与钙信号检测系统一致。

研究背景

大脑复杂功能的实现离不开神经元之间高效特异的信息交流和整合。神经调质作为重要的生物小分子,参与了神经元间化学突触介导的信息传递过程。已知的重要神经调质如乙酰胆碱、多巴胺及神经肽等参与了包括发育、信息感知、运动调节以及大脑高级认知行为等多种生理学功能。与其重要性相对应,神经调质的异常也与帕金森症、老年痴呆症、成瘾及癫痫等重大疾病相关。因此,了解大脑功能背后的机理离不开对于神经调质的研究。传统的直接测量法无法实现单个细胞水平的递质检测,且检测特定神经递质的特异性不够高, 时间和空间精度也较差,为克服神经递质检测的技术瓶颈,北京大学李毓龙研究员课题组开发了新型荧光成像探针,用于在高时间和空间尺度上解析神经系统的复杂功能。

GRAB 探针工作原理及应用

        GRAB探针构建的基本原理是:将G蛋白偶联受体(GPCR)与配体(神经递质)结合后的构象变化与荧光蛋白的荧光信号变化相偶联,用荧光成像的方法检测神经递质的释放。在 GPCR 中存在一段配体结合后构象改变最显著的区域,将循环重排荧光蛋白插入到该区域中,形成融合蛋白;一旦特定神经递质释放激活 GPCR 并使之发生构象改变,此种构象改变会引起与之相连的荧光蛋白也发生构象改变,最终改变其荧光强度。因此,可以利用荧光蛋白的荧光强度变化来指示神经递质的浓度的动态变化。他们将该荧光探针命名为GPCR Activation Based Sensor,简称为GRAB 探针。

GRAB探针原理示意图

    李毓龙研究员课题组现已开发出包括已发表的多巴胺(2018Cell)、乙酰胆碱(2018Nature Biotechnology)、去甲肾上腺素(2019Neuron)在内的超过12种新型GRAB探针,这类探针可以实时精确的检测神经递质的动态变化。研究者可通过转染、病毒注射以及构建转基因动物等手段,将探针表达在多种培养细胞、小鼠脑片或者活体果蝇、斑马鱼、小鼠等各种模式动物中,将原本看不见、摸不着的化学信号变成直观、易测的荧光信号,这使得监测神经递质的动态变化变得更加简单。新型成像探针的出现有助于了解神经递质在特定疾病中的变化,从而为未来的精准医疗和新型药物研发提供了新路径。

多巴胺探针的工作原理及应用示意图

应用举例多通道光纤记录系统记录自由运动的小鼠内源递质的释放

 

枢密科技GRAB神经递质荧光探针列表——北京大学李毓龙研究员课题组特别授权!

参考文献

  1. Feng J. et al. (2019). A Genetically Encoded Fluorescent Sensor for Rapid and Specific In Vivo Detection of Norepinephrine. Neuron. 102(4):745-761.
  2. Jing M. et al. (2018). A Genetically Encoded Fluorescent Acetylcholine Indicator for In Vitro and In Vivo in Studies. Nat Biotechnol. 36(8):726-737.
  3. 3. Sun F. et al. (2018). A Genetically Encoded Fluorescent Sensor Enables Rapid and Specific Detection of Dopamine in Flies, Fish, and Mice. Cell. 174(2):481-496.

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三、应用案例

案例一:

外源性过表达p35可缓解CcKO小鼠的认知及突触功能缺失。

Cell Reports.(IF=8.70 ). Kai Zhuang,et al.(2018)

案例二:

通过RNA干扰手段,降低Hsp70表达可减缓癫痫的发生与发展。

Cell Reports.(IF=8.70 ). Fang Hu,,et al.(2019)

 

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【喜讯】陈成刚博士在The Journal of Neuroscience重新定义下丘相关的神经环路

328,神经科学领域的top期刊The Journal of Neuroscience在线发表了清华大学脑与智能实验室和生物医学工程系的宋森研究组的最新研究成果“Neuronal Organization in the Inferior Colliculus Revisited with Cell-Type-Dependent Monosynaptic Tracing”。该研究利用跨单突触狂犬病毒示踪、荧光原位杂交染色以及相关聚类分析实验和计算手段,首次在全脑范围内量化了下丘不同亚区,兴奋性和抑制性神经元接受的外部输入信息

背景

下丘和上丘位于背侧中脑可以直接接受由耳蜗核和视网膜传递过来的第一级听觉和视觉信息。相对于视觉信息,听觉信息在传递到皮层之前,脑干中经过了多级传递。听觉信息既可以串行的由耳蜗核到橄榄核复合体再到外侧丘系,也可以在三个核团并行的传递。但是,所有上行核团,包括其亚区,最终都会汇聚到下丘同时下丘也接受听觉皮层听觉丘脑的下行输入对侧下丘输入和神经递质输入。下丘在综合了所有听觉信息后,会继续投射到丘脑上丘和导水管灰质等核团。下丘领域的教科书认为下丘的丘系部分主要接受上行输入,下丘的非丘系部分主要接受下行输入和来自丘系部分的输入。然而具体的下丘中兴奋性和抑制性神经元的输入一直存在争议。

方法和结论

研究人员100纳升用于辅助相关病毒AAV-DIO-EGFP-TVAAAV-DIO-RG)注射Vglut2-VGAT-Cre小鼠下丘的丘系或非丘系部分2周以后,注射50纳升SADΔG DsRed RV狂犬病毒

研究人员发现下丘的非丘系部分兴奋性和抑制性神经元是以接受上行输入为主,而不是通常认为的下行输入通过进一步的聚类分析,发现非丘系下丘的上行输入和下行输入是作用在两群兴奋性神经元上面的而抑制性神经元输入具有明显的聚类。

除此以外,研究人员发现非丘系下丘的兴奋性神经元比抑制性神经元接受更多的皮层反馈输入,而抑制性神经元接受更多的耳蜗核输入。兴奋性神经元的频域和时域信息编码更容易受到动物麻醉以及运动状态的影响,而抑制性神经元则基本不变。

下丘非丘系部分的兴奋性神经元所接受外部输入(红色神经元),包括上行输入(耳蜗核,上橄榄核复合体和外侧丘系核),下行输入(听觉丘脑和皮层),以及神经递质输入(五羟色胺和多巴胺相关的核团).绿色表示神经元的输出投射纤维或荧光原位杂交信号.

作者简介

清华大学脑与智能实验室、生物医学工程系、类脑计算研究中心和麦戈文脑科学研究院宋森研究员是论文的通讯作者,生物医学工程系博士生陈成刚为论文第一作者,日本金泽医科大学伊藤哲史教授为论文共同通讯作者。北京生命科学研究所程明秀负责本文的荧光原位杂交染色工作

枢密最新成果】AAV/PHP.S心脏肾脏划过的星空

心脏和肾脏疾病中,AAV以其安全性好、免疫原性低、宿主范围广、携带外源基因长期稳定表达等优点而备受关注,被认为是目前最好的基因转移与治疗载体20176月,来自美国加州理工学院(CalTech)的Viviana Gradinaru实验室在《Nature Neuroscience》 杂志上报道了增强版工具病毒AAV-PHP.S。文章指出,在成年小鼠中AAV-PHP.S1x 1012 vg病毒量静脉注射,感染了82%的背根神经节神经元,和部分心脏、肠道神经元。枢密科技本着客户第一,效果第一,种类齐全的原则,开发了高滴度高纯度的AAV-PHP.S生产工艺,可制备高质量的携带各种特异性启动子和功能元件的AAV-PHP.S,满足广大客户朋友的需求。

利用AAV-PHP.S工具可实现以下几个方面的应用

1.高效感染脊髓、心内神经节和肠道神经系统

2.大范围示踪标记
3.特定类型神经元活动操控
4.疾病模型制备

5.基因编辑/治疗

枢密科技AAV-PHP.S测试效果图

Figure. PHP.S: rAAV-CAG-mcherry-WPRE-pA效果图。

尾静脉注射后5 w取材,玻片扫描仪成像

病毒滴度1.67E+13vg/ml,注射量1x 1012vg

结果显示PHP.S标记心脏肾脏效率较高,报告基因在全心脏脏大范围高效表达

 

Reference
[1]. Nature Neuroscience. (2017). doi:10.1038/nn.4593
Engineered AAVs for efficient noninvasive gene delivery to the central and peripheral nervous systems.

枢密助力2018神经环路示踪技术专题研讨会暨第三届神经环路示踪技术全国培训班圆满落幕

2018年4月21日至25日,为期5天的2018神经环路示踪技术专题研讨会暨第三届神经环路示踪技术全国培训班在武汉物理与数学研究所圆满落幕。会议推广和普及了用于神经科学研究的示踪新方法、新技术、新应用,加强了国内外同行在该领域的交流与合作。本次研讨会的议题围绕神经回路的示踪技术、全脑高时空分辨、单细胞测序、神经回路光学观测、透明脑技术、脑病毒研究等神经科学前沿技术的发展、应用和挑战进行充分探讨,旨在推动脑科学工作者在脑结构、脑功能、脑发育、脑疾病及临床转化中重大研究方向及关键问题进行密切交流与合作。

周欣副所长、徐富强研究员致辞

 

来自19家著名高校和研究院所的30余位神经科学研究前沿领域的专家学者做了精彩的学术报告,并与现场的师生展开了热烈的讨论。

 

下面小编带你领略大咖们的风采

研讨会最后环节,“BrainVTA”优秀poster展:

 培训班期间,在光遗传学、药物遗传学、光纤记录、核磁共振、透明化、 fMOST以及病毒相关的各项技术方面具有丰富经验的一线科研工作者,向参会人员详细介绍了各项脑科学前沿技术的理论及其相关实验经验,同时进行了丰富的实验室操作培训。

培训班精彩回顾

 此次会议和培训班由国家中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国神经科学学会、上海市神经科学学会、中国科学院武汉物理与数学研究所主办,中科院武汉物理与数学研究所脑科学研究中心承办,武汉光电国家研究中心(提供高通量高分辨率全脑光学成像技术)、武汉枢密脑科学技术有限公司(提供神经环路示踪和功能研究的工具病毒技术及系统)等公司协办。

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