京都大学研究生院工学研究科的浜地格教授（研究当时，现为该校能源理工学研究所特任教授）、朱浩青蓝项目助教（研究当时，现为大阪大学产业技术研究所助教）、坂本清志ERATO特定副教授（研究当时，现为特定研究员）、中村圭佑特定助教（研究当时，现为九州大学工学研究院助教）、野中洋ERATO特定副教授（研究当时，现为京都大学工学研究科副教授）等人组成的研究团队开发出了一种新方法：通过在活体动物脑内神经递质受体上化学构建荧光性锌传感器，记录随刺激释放至突触间隙的锌离子释放历程，并通过定量成像解析实现区域特异性图谱绘制。该技术有望助力理解锌参与调控的脑功能，有助于阐明脑神经疾病的机制。相关论文已发表于《PNAS》。
图1 在活体动物脑内特定受体上构建荧光锌传感器（供图：京都大学，©️工学研究科/坂本清志）
锌是人体必需微量元素之一，在维持人体生命活动中发挥着重要作用。在脑内，锌离子在特定兴奋性突触中与谷氨酸一起被包含在突触小泡中，并依赖神经活动释放到突触间隙中。一般认为，释放的锌离子通过与神经递质受体相互作用，参与突触可塑性、记忆和学习等脑功能；但在活体动物脑内，锌离子究竟在何时、哪个区域、释放了多少锌离子，其详细机制此前一直不明确。
在生物体中对特定蛋白质进行化学修饰和功能化，是理解生命现象的有力方法。例如，将自然界原本不存在功能的分子赋予目标蛋白后，有望实现多种生物学解析，并赋予其新的功能。
研究团队此前已成功开发出脑内配体定向化学技术，可在活体动物脑内将荧光色素等小分子导入靶受体蛋白。最近，通过将脑内配体定向化学与点击化学反应相结合，又开发出了化学敲入法，能够快速、选择性地仅将目标受体用各种功能性分子进行化学修饰。
本次研究则利用化学敲入法，将活体小鼠脑内突触上原本存在的神经递质受体化学转化为荧光锌传感器。具体而言，研究人员借助脑内配体定向化学技术，向兴奋性突触上的 AMPA 型谷氨酸受体（AMPA受体）以及抑制性突触上的GABAA受体选择性引入TCO点击官能团与荧光色素1，随后向小鼠脑内注射一种通过可响应锌离子并发生断裂的连接臂，将可与TCO基团发生生物正交反应的甲基四嗪（MeTz）基团和荧光色素2相连的探针，经由点击化学反应构建荧光锌传感器。当游离锌离子释放至对应受体附近时，探针的连接臂发生断裂，色素1与色素2的荧光强度比值随之改变，能够不可逆地记录突触间隙的锌释放历程。此外，使用可在不同锌浓度下发生断裂的连接臂，还可以估算受体周边释放的锌离子含量。
研究团队利用在活体小鼠脑内构建的荧光锌传感器，记录了给予红藻氨酸后海马受体附近释放的锌离子过程，并通过成像解析进行了定量图谱绘制。结果在突触级空间分辨率下证实，即使在同一海马中，释放到兴奋性突触受体附近的锌离子浓度也存在显著的区域差异；渗入抑制性突触的锌离子浓度远低于兴奋性突触受体附近。这一结果有助于阐明锌参与的突触可塑性调节以及脑神经疾病机制。
研究表明，本次开发的将脑内特定受体化学转化为传感器的策略，不仅可应用于锌，还可拓展到其他金属离子、各种酶、活性氧等化学物种在靶蛋白附近的检测。今后通过扩展导入探针的种类和作为基体的受体蛋白，有望成为在分子水平解析脑功能的有力研究工具。
坂本特定研究员表示：“本研究取得的成果有望发展为一种能够在活体动物脑内以任意时间点记录发生的生理事件、并后续根据成像开展精细解析的技术手段。今后计划利用该技术，助力依托化学手段开展的脑与神经科学研究。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America (PNAS)
论文：Imaging and recording of synaptic zinc in the brain by covalent-chemistry based semisynthetic biosensors
DOI：10.1073/pnas.2606947123
