生命科学学院李毓龙实验室开发新型探针解析章鱼胺在果蝇厌恶性学习中的时空动态变化及其扮演的重要角色

章鱼胺(Octopamine, OA)是无脊椎动物中关键的单胺类神经递质,其化学结构和功能类似于脊椎动物中的去甲肾上腺素(Norepinephrine)。它参与了多种生理功能,包括打斗、产卵和联想学习等。然而,关于OA在联想学习中的时空动态变化及其具体作用机理,还有许多未解之谜有待进一步解析。

2024年6月11日,北京大学生命科学学院李毓龙教授实验室在National Science Review杂志正式发表了题为“An octopamine-specific GRAB sensor reveals a monoamine relay circuitry that boosts aversive learning”的研究论文。该研究灵活运用GRAB探针策略(GPCR-Activation Based Sensor),开发了能够特异性检测OA的荧光探针GRABOA1.0(简称OA1.0),并构建了转基因果蝇,进一步利用该探针揭示了OA在果蝇厌恶性学习(aversive learning)中的时空动态变化以及其扮演的重要角色。此外,来自加州大学伯克利分校的Dr. Yvette E Fisher为该文撰写了Research Highlight(题为Octopamine enhances learning,2024年5月30日在线发表),评价该研究“generated an extremely useful new sensor and clarified how octopamine and dopamine signaling interact to shape aversive learning”。

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通过使用GRAB策略开发的OA1.0探针是一种高度选择性的基因编码荧光探针,能够以高灵敏度和时间-空间分辨率检测OA的释放。由于OA和另一种单胺类神经递质酪胺(Tyramine, TA)在结构上的差异仅为一个羟基,传统的活体检测方法通常难以区分它们。幸运的是,OA荧光探针对OA表现出较高的分子选择性。利用OA1.0,团队首次对果蝇学习记忆中心蘑菇体(Mushroom body,MB)在厌恶性学习过程中OA释放的时空动态进行了首次检测,并且进一步发现OA的释放依赖于MB中KC细胞(Kenyon cells)释放的乙酰胆碱(Acetylcholine,ACh)。

结合实验室前期开发的多巴胺(Dopamine, DA)探针和ACh探针,该研究发现OA通过作用于多巴胺能神经元上Octβ1R受体增强非条件刺激引起的DA的释放,从而增强突触可塑性变化,促进厌恶性学习。综上所述,该研究不仅开发了新型OA荧光探针,还解析了OA影响DA信号从而调控厌恶性学习的分子机理,提供了关于OA和DA之间相互作用的全新见解,为理解复杂的神经递质交互作用提供了新的框架。

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图文摘要

北京大学生命科学学院吕明月博士(现为中国科学院生物物理研究所助理研究员)为本文第一作者,李毓龙为通讯作者,李毓龙课题组蔡儒仪、张任子墨、夏西聚、李雪霖博士、王艺潘、王欢博士、曾健智博士等对文章作出了重要贡献。该工作得到了北京师范大学毛兰群课题组的通力合作。研究得到了膜生物学国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、国家自然科学基金、北京市科委、生命医学峰基金、宋晨枫与高欣欣公益基金会和新基石科学基金会所设立的新基石研究员项目与科学探索奖等机构和经费的大力支持。

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