2023年10月31日，《Cell Discovery》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“A genetically encoded ratiometric indicator for tryptophan”的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）穆宇研究組和杜久林研究組合作完成。該研究開(kāi)發(fā)的新型遺傳編碼熒光蛋白探針GRIT（Genetically encoded Ratiometric Indicator for Tryptophan）能夠特異、定量地在活體動(dòng)物中檢測細胞內的色氨酸濃度。
色氨酸是食物中含量最少的必需氨基酸，也是神經(jīng)和免疫系統關(guān)鍵通路的前體，可代謝產(chǎn)生五羥色胺、犬尿氨酸。它協(xié)調著(zhù)多個(gè)系統的功能，因此，活體監測色氨酸的動(dòng)態(tài)有助于理解多器官、多系統同步協(xié)調的機制。然而，以往的色氨酸檢測方法均無(wú)法有效實(shí)時(shí)監測活體動(dòng)物中的色氨酸濃度，高效液相色譜法（HPLC）存在侵入且耗時(shí)的缺陷，響應范圍非常有限的遺傳編碼非侵入式的探針FLIPWs則不夠靈敏。
研究團隊將cpsfYFP與細菌色氨酸抑制子TrpR融合，通過(guò)迭代優(yōu)化和篩選，成功獲得了比例型色氨酸探針GRIT。與之前的FLIPWs探針相比，GRIT的動(dòng)態(tài)范圍增加了30倍，并且能夠在不同pH和離子濃度下正常工作，適用于不同的動(dòng)物樣本和細胞類(lèi)型。
研究團隊利用斑馬魚(yú)這一全身透明、便于遺傳篩選的脊椎模式動(dòng)物，成功將GRIT探針應用到了活體動(dòng)物中，實(shí)現了全身尺度下、單細胞分辨率的色氨酸動(dòng)態(tài)監測。在炎癥過(guò)程中，GRIT監測到色氨酸在大腦和血液中的雙向濃度變化。通過(guò)LPS誘導炎癥斑馬魚(yú)模型，研究人員發(fā)現斑馬魚(yú)大腦內色氨酸濃度顯著(zhù)升高，而血漿色氨酸濃度下降。這一發(fā)現提示炎癥可能導致色氨酸從血漿重新分布到身體其他組織，進(jìn)一步表明了色氨酸在免疫和神經(jīng)系統功能調節中的重要作用。
利用熒光信號監測效應分子在時(shí)間和空間上的變化，這一廣泛應用于神經(jīng)系統的研究策略，同樣適合對代謝等多系統進(jìn)行全面測量。GRIT探針的開(kāi)發(fā)和成功應用，為全面測量多個(gè)生理系統的狀態(tài)、研究其協(xié)同功能提供了新的工具和方法。成像技術(shù)、熒光探針、模式動(dòng)物的有效結合，將在未來(lái)該范式的建立和推廣中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
該研究在中國科學(xué)院腦智卓越中心穆宇研究員和杜久林研究員共同指導下完成，陶榮坤副研究員、博士研究生王逵以及碩士研究生陳天倫為本文的共同第一作者。
圖1. 用GRIT探針在細菌、哺乳動(dòng)物細胞和活體斑馬魚(yú)中定量檢測色氨酸濃度
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