本研究開發了全新的神經肽sNPF的探針GRAB_sNPF1.0，首次在活體動物中探究了同一群神經元釋放sNPF和ACh在空間和時間上的特征，并篩選到選擇性調控sNPF釋放的Syt7和Sytα。這一新型的神經肽熒光探針有能力檢測活體動物中内源神經肽的動态變化，無疑将幫助人們進一步研究神經肽的複雜調控功能。此外，神經肽與小分子神經遞質共同傳遞在體内動态變化以及分子機制的研究，對于理解神經系統如何利用神經肽和小分子神經遞質共同調控複雜功能具有重大意義。

圖1. 同一群神經元共同釋放神經肽和小分子神經遞質的動态和分子調控機制模式圖

神經傳遞是大腦信息交流的基礎，其過程主要依賴于兩種類型的囊泡：含有神經肽的大緻密核心囊泡（Large dense core vesicle，LDCV）和含有小分子神經遞質的突觸小囊泡（Synaptic vesicle，SV）。傳統的觀念曾認為一個神經元隻傳遞一種神經遞質，但後續的研究颠覆了這一認知，研究發現，單個神經元可以傳遞多種神經遞質，即共同傳遞（Co-transmission）現象。其有趣的是，無論是脊椎動物還是非脊椎動物，神經肽和小分子的共同傳遞是更為普遍的一種形式。這種共同傳遞在空間和時間維度上為神經系統調控賦予了更大的魯棒性和易調性，在睡眠、晝夜節律、學習和記憶等生理功能以及諸多病理過程中起到至關重要的調節作用。深入剖析神經肽和小分子神經遞質的共同傳遞機制，不僅能為我們揭開大腦信息編碼方式的神秘面紗，更能幫助我們全方位、深層次地洞察大腦的運作奧秘。

然而，在以往的研究中，研究者更多地将目光聚焦于小分子神經遞質的釋放，對于同一神經元共同釋放神經肽和小分子神經遞質的時空動态以及分子機制知之甚少。

圖2. 本研究關注的科學問題

2025年1月18号，beat365官方网站、IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命聯合中心李毓龍課題組，在《Nature Communications》雜志上發表了題為“A high-performance GRAB sensor reveals differences in the dynamics and molecular regulation between neuropeptide and neurotransmitter release”的研究論文，該研究成功開發了首個用于檢測果蠅神經肽--短神經肽F（short neuropeptide F, sNPF）的探針GRAB_sNPF1.0，并巧妙結合已發表的乙酰膽堿（acetylcholine, ACh）探針GRAB_ACh3.0(簡稱ACh3.0)，借助活體成像與光遺傳技術等前沿手段，深入探究了活體動物中同一群神經元釋放神經肽和小分子神經遞質在時空動态上的差異，以及背後複雜的分子調控機制。

研究人員将目光鎖定在果蠅的嗅覺學習中樞，蘑菇體肯亞神經元（Kenyon cell，KC）上。這群神經元在釋放乙酰膽堿（ACh）的同時高表達短神經肽F（sNPF），為深入探究神經肽和小分子神經遞質的共同傳遞提供了一個絕佳的平台。此前，李毓龍團隊憑借基于GRAB探針策略（GPCR-Activation Based Sensor）成功開發了針對ACh的熒光探針ACh3.0，這為後續的深入研究奠定了堅實的技術基礎。因此，研究人員首先基于GRAB探針策略開發了第一代綠色的sNPF探針GRAB_sNPF1.0，該探針在培養的細胞中展現出卓越的細胞膜定位能力，能夠迅速響應外源sNPF，且具有極高的分子特異性，對細胞的正常生理活動無明顯幹擾。借助這一新型探針工具，研究人員在活體果蠅的蘑菇體KC神經元的水平葉區域成功檢測到高鉀溶液、光遺傳以及氣味等刺激引發的sNPF信号的上升，這标志着在活體動物中實時監測神經肽動态變化邁出了關鍵一步。

圖3. GRAB_sNPF1.0可以特異性地檢測内源神經肽sNPF的動态

為了進一步研究同一群神經元釋放神經肽和小分子神經遞質的共同傳遞。研究人員結合已發表的ACh3.0，研究了KC神經元釋放sNPF和ACh的時空動态和分子機制。有趣的是，與ACh相比，sNPF在空間上的釋放範圍更廣，存在胞體釋放的形式；在時間維度上，sNPF的釋放和衰退均慢于ACh。在短時間的刺激過程中，無論是連續還是間隔時間的刺激，sNPF呈現出增強型的釋放模式，而ACh則呈現抑制型的釋放模式。在較長時間的刺激過程中，sNPF能夠維持在較高水平的釋放，而ACh的釋放會逐漸消失，但在一定時間内又能恢複。這一系列發現揭示了神經肽與小分子神經遞質在釋放過程中的顯著差異，為理解神經傳遞的複雜調控機制提供了關鍵線索，也暗示着兩者存在不同的分子調控機制。

圖4. sNPF與ACh具有不同的釋放模式

因此，研究人員進一步探究神經肽和小分子神經遞質的分子調控機制，結果顯示，首先，ACh和sNPF的釋放均依賴于囊泡相關膜蛋白（Neuronal synaptobrevin，nSyb）。其次，本論文利用CRISPR/Cas9基因編輯技術對突觸傳遞過程中的關鍵調控因子突觸結合蛋白家族基因（Synaptotagmin，Syt）進行了遺傳篩選。篩選結果顯示，Syt7和Sytα能夠選擇性地調控KC神經元中sNPF的釋放，卻對ACh的釋放無調控作用；而Syt1主要參與調控ACh的釋放，對sNPF的釋放不産生影響，其他Syt基因未表現出參與調控sNPF或者ACh釋放的表型。這一發現精準鎖定了調控神經肽釋放的關鍵基因，為深入解析神經元共同傳遞的分子機制提供了有力抓手。

圖5. sNPF和ACh的釋放受到不同Syt所調控

beat365官方网站教授李毓龍為該論文通訊作者；北京大學前沿交叉學科研究院PTN項目博士生夏西聚為第一作者，該團隊其他成員為本研究提供了非常寶貴的建議。研究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、國家自然科學基金、北京市科委、生命醫學峰基金、宋晨楓與高欣欣公益基金會和新基石科學基金會所設立的新基石研究員項目與科學探索獎等機構和經費的大力支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56129-w

李毓龍實驗室的更多相關工作詳見：http://yulonglilab.org/。此外，實驗室長期誠聘不同學科背景的副研究員、博士後及技術員，待遇從優。歡迎對腦科學感興趣的有志青年加入！郵箱：yulongli@pku.edu.cn