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HypnoS：一種超靈敏的細(xì)胞內(nèi)腺苷傳感器。圖片來源：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（IGDB）

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（IGDB）的研究團(tuán)隊(duì)在《自然・通訊》（Nature Communications）發(fā)表研究，詳述了一種新型基因編碼熒光傳感器的開發(fā)，可針對細(xì)胞類型特異性地實(shí)時監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)腺苷（iAdo）動態(tài)。

這種名為 “超靈敏細(xì)胞內(nèi)腺苷傳感器”（Hypersensitive intracellular adenosine Sensor, HypnoS）的工具，能夠在活體動物大腦中以高時空分辨率監(jiān)測癲癇發(fā)作或睡眠 - 覺醒周期中的 iAdo 動態(tài)變化。

研究背景與科學(xué)挑戰(zhàn)

細(xì)胞外腺苷（eAdo）和細(xì)胞內(nèi)腺苷（iAdo）通過平衡核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ENTs）形成跨膜信號網(wǎng)絡(luò)，其失衡與神經(jīng)退行性疾病、代謝綜合征和腫瘤等密切相關(guān)。然而，傳統(tǒng)技術(shù)在捕捉 iAdo 毫秒級動態(tài)變化及其亞細(xì)胞定位模式上存在局限，導(dǎo)致腺苷的細(xì)胞來源、釋放機(jī)制及跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的具體過程仍存爭議。

技術(shù)突破：HypnoS 傳感器的設(shè)計(jì)與性能

為攻克上述難題，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所吳昭法團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)王京、李毓龍團(tuán)隊(duì)，利用環(huán)形排列增強(qiáng)型綠色熒光蛋白（cpEGFP）和腺苷脫氨酶（PvADA）設(shè)計(jì)了 HypnoS。通過篩選 3000 多種蛋白變體，最終獲得的傳感器具備以下特性：

超高響應(yīng)幅度：最大熒光響應(yīng)幅度約 900%；

快速動力學(xué)：亞秒級動力學(xué)響應(yīng)；

高選擇性：對腺苷底物具有高度特異性，且不干擾正常細(xì)胞生理活動。

HypnoS 能夠在活體果蠅和小鼠模型中實(shí)現(xiàn)從單細(xì)胞到全腦組織的多尺度 iAdo 動態(tài)可視化：

病理場景：癲癇研究

結(jié)合活體寬場成像技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在小鼠大腦中以全皮層為空間尺度、高時間分辨率記錄了癲癇發(fā)作期間細(xì)胞內(nèi)腺苷的動態(tài)變化。結(jié)果揭示了細(xì)胞內(nèi)腺苷在癲癇中潛在的神經(jīng)保護(hù)作用。

通過在神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性表達(dá) HypnoS，并利用活體雙光子成像技術(shù)，進(jìn)一步在單細(xì)胞分辨率下解析了不同細(xì)胞類型中 iAdo 的動態(tài)差異。

生理場景：睡眠 - 覺醒調(diào)控

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合光纖記錄與腦電圖、肌電圖，發(fā)現(xiàn)小鼠基底前腦區(qū)在清醒和快速眼動睡眠期間細(xì)胞內(nèi)腺苷水平升高，而非快速眼動睡眠期間降低。

進(jìn)一步研究表明，ENT1/2 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要介導(dǎo)神經(jīng)元中腺苷的釋放，并促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞對腺苷的攝取，揭示了兩種細(xì)胞在睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)控中的分工。這一發(fā)現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)腺苷水平干預(yù)睡眠障礙提供了分子基礎(chǔ)。

科學(xué)意義與應(yīng)用前景

HypnoS 的開發(fā)突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，為解析腺苷在生理和病理過程中的跨細(xì)胞調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵工具。其多尺度可視化能力不僅深化了對神經(jīng)疾病和睡眠調(diào)控的理解，也為靶向腺苷信號通路的藥物研發(fā)開辟了新方向。

更多信息

相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然・通訊》，標(biāo)題為《高性能熒光傳感器時空揭示體內(nèi)細(xì)胞類型特異性的細(xì)胞內(nèi)腺苷調(diào)控》（A high-performance fluorescent sensor spatiotemporally reveals cell-type specific regulation of intracellular adenosine in vivo），DOI: 10.1038/s41467-025-59530-7。

期刊信息：Nature Communications

來源：中國科學(xué)院