近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）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储军研究员课题组研发了在活细胞内具有12倍荧光变化的高性能基因编码的环磷酸腺苷（cAMP）绿色荧光探针（G-Flamp1）。该研究结合显微成像和光纤记录等技术，实时高灵敏检测了果蝇和小鼠等模式生物在特定行为过程中特定神经元的环磷酸腺苷信号的时空动力学变化，探索了环磷酸腺苷动力学与动物行为之间的内在关联。相关研究论文近日发表于《自然·通讯》。
细胞是包括人类在内的绝大部分生命体结构和功能的基本单位。细胞会不断地接受周围环境的信号，并相应地转变细胞内蛋白质、有机小分子、离子、DNA和RNA等的数量、分布和活性状态等，从而改变自身形态和生物学功能等。该过程的异常与疾病的发生发展相关。因此，科学家们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生机制。
在该研究中，研究人员选取细胞内重要的第二信使分子环磷酸腺苷作为研究目标。环磷酸腺苷可传递细胞表面多种G蛋白偶联受体（GPCR）的信息，在学习与记忆、药物成瘾、运动控制、免疫、代谢等过程中发挥重要作用。
“活细胞和活体水平的环磷酸腺苷分子浓度变化的高时空分辨率荧光成像是解析环磷酸腺苷信号通路及其生物学功能的重要基础。因此，开发高灵敏的环磷酸腺苷荧光探针成为研究复杂生物过程的关键。”储军表示。
与非基因编码探针相比，基因编码探针像正常蛋白质一样，可以定位到生物体特定细胞或特定细胞亚结构，具有低毒性、低背景、可遗传等优点，在生命科学基础研究中具有无可比拟的优势。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（荧光变化最大只有1.5倍），要么荧光亮度较暗，很难监测活体中微弱的内源性环磷酸腺苷变化，极大地限制了人们对生理和病理状态下环磷酸腺苷分子调控机理和功能的研究。
为了开发适用于活体检测的高灵敏度探针，研究人员将环化重排绿色荧光蛋白（cpGFP）插入细菌MlotiK1通道蛋白的环磷酸腺苷结合结构域（mlCNBD）中。经过插入位点筛选、连接肽优化、荧光蛋白及感应模块优化，研究人员得到了具有高亮度、高灵敏度、合适亲和力和快响应速度等特征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，是目前少数几个荧光变化在10倍以上的荧光探针之一。
随后，研究人员将该探针应用在果蝇和小鼠等模式生物中，结合双光子成像和光纤记录等技术，该探针可高灵敏检测到环磷酸腺苷信号的动态变化。
在未来研究中，研究团队将进一步提高探针性能，开发适用于不同应用场景的下一代高灵敏环磷酸腺苷探针，并利用其揭示活细胞和活体中环磷酸腺苷信号的规律、调控机制及生物学功能。