文獻(xiàn)解讀：新型探針解析胞內(nèi)腺苷的在體時(shí)空動(dòng)態(tài)及調(diào)控機(jī)制

2025年5月7日，北京大學(xué)藥學(xué)院王晶課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所武照伐課題組和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李毓龍課題組，在Nature Communications雜志發(fā)表題為“A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo”的文章，該研究成功開(kāi)發(fā)了首個(gè)用于活體檢測(cè)胞內(nèi)腺苷的基因編碼熒光探針HypnoS（Hypersensitive intracellular adenosine Sensor），并借助活體成像與光遺傳技術(shù)等手段，探究了活體動(dòng)物中胞內(nèi)腺苷時(shí)空動(dòng)態(tài)上的細(xì)胞特異性調(diào)控，以及背后的分子調(diào)控機(jī)制（圖1）。
 

圖1. HypnoS的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及應(yīng)用總結(jié)

研究團(tuán)隊(duì)基于循環(huán)重排綠色熒光蛋白（cpEGFP）與腺苷脫氨酶（PvADA），在篩選了超過(guò)3000個(gè)突變體后，成功構(gòu)建了新型熒光探針HypnoS（取名古希臘神話中的“睡神”）。HypnoS具備極高的靈敏度（響應(yīng)幅度>900%）、適宜的親和力（EC50 ~11 μM）、亞秒級(jí)動(dòng)力學(xué)特性及良好的選擇性（圖2），重要的是HypnoS表達(dá)對(duì)神經(jīng)元的正常生理過(guò)程無(wú)明顯影響，這些特性使其成為檢測(cè)生理和病理?xiàng)l件下胞內(nèi)腺苷變化的理想工具。
 

圖2. HypnoS探針的開(kāi)發(fā)和體外刻畫(huà)。a. 探針的構(gòu)成；b. 探針單光子光譜性質(zhì)；c. 探針親和力，其中HypnoS-mut是探針對(duì)照；d. 亞秒級(jí)別的動(dòng)力學(xué)特性；e. 優(yōu)異的特異性；f. 探針幾乎不具備酶活性。

在細(xì)胞水平上，腦中不同的類型細(xì)胞對(duì)胞內(nèi)腺苷（iAdo）生成、代謝及釋放的差異仍不明確，胞外腺苷（eAdo）來(lái)源于神經(jīng)元還是相鄰的膠質(zhì)細(xì)胞在領(lǐng)域內(nèi)存在爭(zhēng)議。利用新型HypnoS的可遺傳編碼特性，作者將HypnoS探針?lè)直姹磉_(dá)在了神經(jīng)元及星形膠質(zhì)細(xì)胞，在原代培養(yǎng)的細(xì)胞、急性腦片以及自由活動(dòng)小鼠等多種體系中實(shí)現(xiàn)了對(duì)iAdo動(dòng)態(tài)的細(xì)胞特異性監(jiān)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞腺苷的水平、動(dòng)力學(xué)及釋放存在顯著差異（圖3），提示兩種細(xì)胞類型對(duì)腺苷穩(wěn)態(tài)的不同貢獻(xiàn)。
 

圖3. 檢測(cè)原代培養(yǎng)的神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細(xì)胞中腺苷及ATP代謝差異。a和b. 神經(jīng)元活動(dòng)過(guò)程中腺苷代謝和ATP能量代謝之間的關(guān)系；c和d. 星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)時(shí)胞內(nèi)腺苷的動(dòng)態(tài)變化。

在病理過(guò)程中（如癲癇），腺苷被認(rèn)為是重要的內(nèi)源性抗驚厥因子。利用新型HypnoS探針結(jié)合在體大視場(chǎng)成像，作者首次在活體小鼠整個(gè)大腦皮層尺度可視化了急性癲癇發(fā)作期間iAdo的動(dòng)態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)iAdo變化顯著滯后于癲癇引發(fā)的神經(jīng)元鈣活動(dòng)并持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，這與iAdo在癲癇發(fā)作后的潛在神經(jīng)保護(hù)作用一致（圖4）。進(jìn)一步地，作者運(yùn)用活體雙光子成像技術(shù)，在單細(xì)胞水平解析了iAdo在神經(jīng)元及星形膠質(zhì)細(xì)胞中的動(dòng)態(tài)變化，并發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠以更快的速度降解iAdo（圖4），這一發(fā)現(xiàn)拓展了不同細(xì)胞對(duì)癲癇期間腺苷代謝調(diào)控機(jī)制的理解。
 

圖4. 利用HypnoS檢測(cè)癲癇發(fā)作過(guò)程中胞內(nèi)腺苷的動(dòng)態(tài)變化。a. 示意圖；b. 結(jié)合大視場(chǎng)成像檢測(cè)小鼠癲癇發(fā)作過(guò)程HypnoS與鈣信號(hào)之間的時(shí)空關(guān)系；c. 結(jié)合在體雙光子檢測(cè)小鼠癲癇發(fā)作過(guò)程中神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細(xì)胞胞內(nèi)腺苷動(dòng)態(tài)差異。

在生理過(guò)程中（如睡眠-覺(jué)醒），腺苷被認(rèn)為是調(diào)控睡眠穩(wěn)態(tài)的重要分子。研究團(tuán)隊(duì)利用HypnoS探針結(jié)合光纖和腦電、肌電記錄，在小鼠基底前腦研究中捕捉到清醒與REM睡眠時(shí)期胞內(nèi)腺苷升高，NREM睡眠時(shí)期下降的現(xiàn)象。研究表明，ENT1/2在神經(jīng)元中主導(dǎo)腺苷釋放，而在星形膠質(zhì)細(xì)胞中促進(jìn)腺苷攝取，揭示了兩種細(xì)胞在睡眠穩(wěn)態(tài)中的分工機(jī)制（圖5），這一發(fā)現(xiàn)為通過(guò)調(diào)控腺苷水平干預(yù)睡眠障礙提供了分子基礎(chǔ)。
 

圖5. 睡眠-覺(jué)醒周期中胞內(nèi)腺苷的動(dòng)態(tài)及細(xì)胞特異性調(diào)控。a和b. 睡眠-覺(jué)醒周期中ENT1/2 介導(dǎo)的腺苷轉(zhuǎn)運(yùn)在神經(jīng)元中的作用。c和d. 睡眠-覺(jué)醒周期中ENT1/2 介導(dǎo)的腺苷轉(zhuǎn)運(yùn)在星形膠質(zhì)細(xì)胞中的作用。

參考文獻(xiàn)：Wei, Q., Bai, Z., Wang, L. et al. A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo. Nat Commun 16, 4245 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59530-7

創(chuàng)作聲明：本文是在原英文文獻(xiàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行解讀，存在觀點(diǎn)偏向性，僅作分享，請(qǐng)參考原文深入學(xué)習(xí)。

想了解更多內(nèi)容，獲取相關(guān)咨詢請(qǐng)聯(lián)系
電  話：+86-0731-84428665
伍經(jīng)理：+86-180 7516 6076
徐經(jīng)理：+86-138 1744 2250
郵  箱：consentcs@163.com