新型荧光膜电位探针的发展及其在神经信号传导机制研究中的应用

Fluorescent sensors of membrane potential could enable studies of neuronal function with unprecedented spatial and temporal resolutions. We aims to develop a palette of brightly fluorescent voltage indicators that span much of the visible spectrum. Constructed from site-specific modification of voltage-sensitive rhodopsin with synthetic organic fluorophores or inorganic nanoparticles, these sensors detect changes in membrane potential via voltage-induced non-radiative quenching of the appended fluorophore. We will explore various fluorophore structures and rhodopsin protein scaffold, to screen for sensors with high speed, sensitivity, brightness and photostability. These sensors promise to open new vista into neuronal signaling. We will apply this new tool to investigate the mechanism of action potential initiation and propagation in neurons.

细胞膜电位作为一类重要的生物物理信号，在神经活动中扮演着关键角色。本项目的主要研究目标是发展一系列结构新颖的荧光膜电位探针，实现在高时空分辨下对神经细胞动作电位进行灵敏观测。在“电色荧光共振能量转移”理论指导下，我们拟构建一类具有“蛋白质/化学分子”二元复合结构的新型膜电位探针，通过对视紫红质蛋白进行位点特异性标记，引入有机小分子和无机纳米颗粒作为荧光报道基团。在此基础上，我们还将探索各类荧光基团和视紫红质蛋白结构对探针的灵敏度、响应速度、荧光强度等特性的影响，并筛选出性能最优的荧光膜电位探针。应用膜电位成像技术，我们拟研究神经元调控动作电位引发和传播的分子机制。

本研究项目以发展高灵敏度荧光膜电位探针，实现针对神经活动的高时空可视化观测为主要目标，通过对视蛋白进行生物正交工程改造，构建了一系列结构新颖的“小分子-蛋白质”复合型荧光探针。该方法采用酶介导的化学连接反应对电位敏感膜蛋白进行位点特异性的荧光修饰，并利用电色效应荧光共振能量转移机制实现电信号对荧光量子效率的调制。项目发展了一系列结构新颖的复合型荧光膜电位探针，共计10种，荧光发射波长覆盖500 - 700 nm。由此获得的复合型探针具有远红区发射波长，在灵敏度与响应速度方面处于世界领先水平，可与光遗传学操作联用并实现多通路成像。利用荧光膜电位探针和荧光成像的高时空分辨能力及高测量通量，实现了全光学神经电生理记录，并构建了筛选化合物神经活性的光学平台。以AIS可塑性为切入点，应用膜电位探针实现了对神经细胞动作电位的形成和传播动态过程的高时空分辨可视化观测，并通过理论建模分析数据，从离子通道种类和密度的异质性分布角度解析了神经细胞调控兴奋性的机制，为相关人类疾病机理的理解和治疗药物的筛选提供技术基础。本项目的研究成果以论文的形式在《Angew Chem Int Ed》、《ACS Chem Neurosci》等高水平国际期刊上发表7篇，另有一篇已被《Nat Chem》原则上接收（accepted in principle）。