腺苷清醇獨具香，靜靜慢嚼細品嘗。

促進記憶提神醒，疲勞困頓快速扛。

血管擴張降壓力，心髒健康喜樂長。

腺苷滋補人體好，生活美好心情爽。

---作者：ChatGPT

腺苷（Adenosine, Ado）是一種重要的信号分子，在睡眠、學習記憶、心血管功能及免疫反應等過程中發揮着重要作用。異常的腺苷信号往往伴随着疼痛、癫痫、中風及神經退行性疾病¹。早在1929年，Alan Drury和Albert Szent-Györgyi（1937年諾獎獲得者）發現，把腺苷類化合物注射到豚鼠中，1-2分鐘後豚鼠變得“呼吸急促、無精打采，傾向于安靜地躺着、偶爾睡着”，這提示腺苷可能具有調控神經系統的功能²。1974年，John Phillis等人發現，胞外的腺苷能夠顯著地抑制神經元發放動作電位³；咖啡因、茶堿均可阻斷腺苷信号通路，從而起到提神醒腦的功能。盡管科學家對胞外腺苷的功能研究已經非常深入，然而對于腺苷釋放如何被調控這一問題，始終存在争議。

2023年3月30日，北京大學李毓龍團隊聯合北京腦科學與類腦研究所羅敏敏團隊在PNAS雜志在線發表了題為“Neuronal activity-induced, equilibrative nucleoside transporter-dependent, somatodendritic adenosine release revealed by a GRAB sensor”的研究論文。在這項研究中，作者利用新型GRAB熒光探針，詳細地研究了神經元活動引發腺苷釋放的細胞及分子機制，并揭示了一種非經典的神經調質釋放模式。

胞外腺苷來源的争議可以歸結為以下幾個方面：（1）在細胞水平上，腺苷是來源于神經元還是相鄰的膠質細胞？（2）腺苷釋放是否具有亞細胞結構的特異性，從突觸前還是突觸後釋放？（3）在分子水平上，腺苷是通過胞外的三磷酸腺苷（ATP）的降解産生；還是通過核苷轉運蛋白或突觸囊泡直接被釋放？

研究胞外腺苷的來源、釋放及調控機制的難點在于缺乏可視化檢測腺苷的方法。2020年，李毓龍團隊和徐敏團隊聯合報道了一種基于G蛋白偶聯受體激活原理（GRAB）的胞外腺苷熒光探針GRAB-Ado1.0 ⁴，Ado1.0對胞外腺苷的親和力是~60 nM。在本次報道的研究中，為了進一步擴展探針的檢測範圍，作者首先通過篩選得到了一個~3.2μM的低親和力版本Ado1.0m，該探針表現出更大的響應幅度（大于300%）和對腺苷的高特異性。

利用新版Ado1.0m探針，作者成功地在海馬急性腦片CA1位置檢測到電刺激引發的胞外腺苷水平的上升。有趣的是，作者發現阻斷CA3到CA1的谷氨酸突觸傳遞隻能部分阻斷胞外腺苷水平的上升。那麼胞外的腺苷是來源于CA1局部的胞體樹突（突觸後）還是CA3的軸突投射（突觸前）？結合光遺傳學工具和胞外腺苷成像，作者發現在阻斷谷氨酸突觸傳遞的基礎上同時激活CA3軸突，并不能引發腺苷釋放；而當激活CA1胞體樹突時則發現，胞外腺苷水平表現出刺激時長依賴的增加（圖1）。以上結果表明，在亞細胞水平上，胞外腺苷主要來源于CA1的胞體樹突（突觸後）。

圖1：激活CA1胞體樹突引發胞外腺苷水平的上升

随後，作者使用培養的海馬神經元體系研究胞外腺苷來源的分子機制。結合GRAB腺苷探針、谷氨酸探針及藥理學、遺傳學等手段，作者發現：在細胞水平上，通過電場刺激能夠引發腺苷的釋放，而當通過河豚毒素、氯化镉分别阻斷表達在神經元上的電壓敏感的鈉離子和鈣離子通道時，腺苷的釋放也被阻斷，表明胞外的腺苷來源于神經元；當激活星形膠質細胞時，則沒有檢測到胞外腺苷水平的上升。進一步的，作者還發現胞外腺苷水平的上升主要依賴于的L型鈣離子通道，胞内鈣庫的激活也能引發腺苷的釋放。

分子水平上，破傷風神經毒素能夠有效地阻斷突觸囊泡釋放的谷氨酸，卻無法阻斷腺苷的釋放，表明腺苷的釋放不依賴于SNARE蛋白介導的胞吐過程；阻斷CD39或者敲除CD73（胞外ATP降解成腺苷的限速酶）對胞外腺苷的釋放沒有明顯的影響，表明CD39-CD73介導的胞外ATP降解途徑對電刺激引發的腺苷釋放貢獻不大；有意思的是，通過藥理學手段阻斷或者遺傳學手段敲除細胞膜表達的平衡核苷轉運蛋白（ENTs），大部分腺苷的釋放被阻斷，表明在神經元被激活時，胞外腺苷水平的上升主要依賴于ENT轉運蛋白（圖2）。

圖2：神經元活動引發腺苷釋放的模式圖

綜上，作者發現在海馬中神經元活動誘導的胞外腺苷升高主要是由神經元釋放的，并取決于ENTs，而不是通過傳統的囊泡釋放機制；與經典神經遞質相比，胞外腺苷積累緩慢（約40秒）并且需要L-型鈣離子通道。重要的是，作者發現腺苷主要由突觸後直接釋放，而不是突觸前；基于在突觸前膜有豐富的腺苷受體表達，表明突觸後釋放的腺苷是一個潛在的逆行調控分子（圖2）。由于腺苷信号傳遞及其代謝參與多種生理（睡眠-覺醒調控等）及病理過程（癫痫、中風、疼痛、帕金森病，乃至腫瘤發生等），這項基礎研究為理解腺苷的作用機理提供了重要參考，也為腺苷相關疾病的治療提供了潛在的藥物靶點。

武照伐博士、崔玉婷博士和王歡博士為本文的共同第一作者，李毓龍教授和羅敏敏教授為共同通訊作者，吳昊、萬逸博士、李柏翰、王蕾、潘孫磊、彭婉玲博士、董傲博士、袁正巍博士和井淼博士等對前期探針的開發和刻畫做出了重要貢獻。論文的合作者還包括中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心的徐敏研究員，并得到了北京大學膜生物學國家重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心、北京大學IDG麥戈文腦科學研究所、國家自然科學基金、北京市科委、生命醫學峰基金、新基石研究員項目、科技創新2030-“腦科學與類腦研究”青年科學家項目、勃林格殷格翰博士後基金和北京市科協“青年人才托舉工程”等機構、經費和項目的大力支持。

更多李毓龍實驗室工作詳見：http://yulonglilab.org/；羅敏敏實驗室工作詳見：https://www.cibr.ac.cn/science/team/detail/36。此外，李毓龍實驗室和羅敏敏實驗室誠聘不同學科背景的副研究員、博士後以及科研助理，待遇從優，歡迎對腦科學感興趣的有志青年加入。

原文鍊接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2212387120

參考文獻：

1          Chen, J. F., Eltzschig, H. K. & Fredholm, B. B. Adenosine receptors as drug targets--what are the challenges? Nat Rev Drug Discov 12, 265-286, doi:10.1038/nrd3955 (2013).

2          Drury, A. N. & Szent-Gyorgyi, A. The physiological activity of adenine compounds with especial reference to their action upon the mammalian heart. J Physiol 68, 213-237, doi:10.1113/jphysiol.1929.sp002608 (1929).

3          Phillis, J. W., Kostopoulos, G. K. & Limacher, J. J. Depression of Corticospinal Cells by Various Purines and Pyrimidines. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology 52, 1226-1229, doi:10.1139/y74-162 (1974).

4          Peng, W. et al. Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons. Science 369, doi:10.1126/science.abb0556 (2020).