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近日，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）生物醫學與健康工程研究所（以下簡稱醫工所）生物醫學光學與分子影像研究中心儲軍研究員課題組研發了在活細胞內具有12倍熒光變化的高性能基因編碼的環磷酸腺苷（cAMP）綠色熒光探針（G-Flamp1）。該研究結合顯微成像和光纖記錄等技術，實時高靈敏檢測了果蠅和小鼠等模式生物在特定行為過程中特定神經元的環磷酸腺苷信號的時空動力學變化，探索了環磷酸腺苷動力學與動物行為之間的內在關聯。相關研究論文近日發表于《自然·通訊》。
細胞是包括人類在內的絕大部分生命體結構和功能的基本單位。細胞會不斷地接受周圍環境的信號，并相應地轉變細胞內蛋白質、有機小分子、離子、DNA和RNA等的數量、分布和活性狀態等，從而改變自身形態和生物學功能等。該過程的異常與疾病的發生發展相關。因此，科學家們往往通過檢測上述關鍵分子的時空變化來闡明相關疾病的發生機制。
在該研究中，研究人員選取細胞內重要的第二信使分子環磷酸腺苷作為研究目標。環磷酸腺苷可傳遞細胞表面多種G蛋白偶聯受體（GPCR）的信息，在學習與記憶、藥物成癮、運動控制、免疫、代謝等過程中發揮重要作用。
“活細胞和活體水平的環磷酸腺苷分子濃度變化的高時空分辨率熒光成像是解析環磷酸腺苷信號通路及其生物學功能的重要基礎。因此，開發高靈敏的環磷酸腺苷熒光探針成為研究復雜生物過程的關鍵。”儲軍表示。
與非基因編碼探針相比，基因編碼探針像正常蛋白質一樣，可以定位到生物體特定細胞或特定細胞亞結構，具有低毒性、低背景、可遺傳等優點，在生命科學基礎研究中具有無可比擬的優勢。然而，現有的50多個基因編碼的環磷酸腺苷熒光探針要么靈敏度低（熒光變化最大只有1.5倍），要么熒光亮度較暗，很難監測活體中微弱的內源性環磷酸腺苷變化，極大地限制了人們對生理和病理狀態下環磷酸腺苷分子調控機理和功能的研究。
為了開發適用于活體檢測的高靈敏度探針，研究人員將環化重排綠色熒光蛋白（cpGFP）插入細菌MlotiK1通道蛋白的環磷酸腺苷結合結構域（mlCNBD）中。經過插入位點篩選、連接肽優化、熒光蛋白及感應模塊優化，研究人員得到了具有高亮度、高靈敏度、合適親和力和快響應速度等特征的高性能基因編碼的環磷酸腺苷綠色熒光探針（G-Flamp1）。該探針在活細胞中的熒光變化可達12倍，是目前少數幾個熒光變化在10倍以上的熒光探針之一。
隨后，研究人員將該探針應用在果蠅和小鼠等模式生物中，結合雙光子成像和光纖記錄等技術，該探針可高靈敏檢測到環磷酸腺苷信號的動態變化。
在未來研究中，研究團隊將進一步提高探針性能，開發適用于不同應用場景的下一代高靈敏環磷酸腺苷探針，并利用其揭示活細胞和活體中環磷酸腺苷信號的規律、調控機制及生物學功能。
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