京都大學研究生院工學研究科的浜地格教授（研究當時，現為該校能源理工學研究所特任教授）、朱浩青藍項目助教（研究當時，現為大阪大學產業技術研究所助教）、坂本清志ERATO特定副教授（研究當時，現為特定研究員）、中村圭佑特定助教（研究當時，現為九州大學工學研究院助教）、野中洋ERATO特定副教授（研究當時，現為京都大學工學研究科副教授）等人組成的研究團隊開發出了一種新方法：透過在活體動物腦內神經遞質受體上化學建構螢光性鋅感測器，記錄隨刺激釋放至突觸間隙的鋅離子釋放歷程，並透過定量成像解析實現區域特異性圖譜繪製。該技術有望助力理解鋅參與調控的腦功能，有助於闡明腦神經疾病的機制。相關論文已發表於《PNAS》。
圖1 在活體動物腦內特定受體上建構螢光鋅感測器（圖片提供：京都大學，©️工學研究科/坂本清志）
鋅是人體必需微量元素之一，在維持人體生命活動中發揮著重要作用。在腦內，鋅離子在特定興奮性突觸中與麩胺酸一起被包含在突觸小泡中，並依賴神經活動釋放到突觸間隙中。一般認為，釋放的鋅離子透過與神經遞質受體相互作用，參與突觸可塑性、記憶和學習等腦功能；但在活體動物腦內，鋅離子究竟在何時、哪個區域、釋放了多少鋅離子，其詳細機制此前一直不明確。
在生物體中對特定蛋白質進行化學修飾和功能化，是理解生命現象的有力方法。例如，將自然界原本不存在功能的分子賦予目標蛋白後，有望實現多種生物學解析，並賦予其新的功能。
研究團隊此前已成功開發出腦內配體定向化學技術，可在活體動物腦內將螢光色素等小分子導入靶受體蛋白。最近，透過將腦內配體定向化學與點擊化學反應相結合，又開發出了化學敲入法，能夠快速、選擇性地僅將目標受體用各種功能性分子進行化學修飾。
本次研究則利用化學敲入法，將活體小鼠腦內突觸上原本存在的神經遞質受體化學轉化為螢光鋅感測器。具體而言，研究人員藉助腦內配體定向化學技術，向興奮性突觸上的 AMPA 型麩胺酸受體（AMPA受體）以及抑制性突觸上的GABAA受體選擇性引入TCO點擊官能基與螢光色素1，隨後向小鼠腦內注射一種透過可響應鋅離子並發生斷裂的連接臂，將可與TCO基團發生生物正交反應的甲基四嗪（MeTz）基團和螢光色素2相連的探針，經由點擊化學反應建構螢光鋅感測器。當遊離鋅離子釋放至對應受體附近時，探針的連接臂發生斷裂，色素1與色素2的螢光強度比值隨之改變，能夠不可逆地記錄突觸間隙的鋅釋放歷程。此外，使用可在不同鋅濃度下發生斷裂的連接臂，還可以估算受體周邊釋放的鋅離子含量。
研究團隊利用在活體小鼠腦內建構的螢光鋅感測器，記錄了給予紅藻氨酸後海馬受體附近釋放的鋅離子過程，並透過成像解析進行了定量圖譜繪製。結果在突觸級空間解析度下證實，即使在同一海馬中，釋放到興奮性突觸受體附近的鋅離子濃度也存在顯著的區域差異；滲入抑制性突觸的鋅離子濃度遠低於興奮性突觸受體附近。這一結果有助於闡明鋅參與的突觸可塑性調節以及腦神經疾病機制。
研究表明，本次開發的將腦內特定受體化學轉化為感測器的策略，不僅可應用於鋅，還可拓展到其他金屬離子、各種酵素、活性氧等化學物種在靶蛋白附近的檢測。今後透過擴展導入探針的種類和作為基體的受體蛋白，有望成為在分子水平解析腦功能的有力研究工具。
坂本特定研究員表示：「本研究取得的成果有望發展為一種能夠在活體動物腦內以任意時間點記錄發生的生理事件、並後續根據成像進行精細解析的技術手段。今後計畫利用該技術，助力依託化學手段進行的腦與神經科學研究。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America (PNAS)
論文：Imaging and recording of synaptic zinc in the brain by covalent-chemistry based semisynthetic biosensors
DOI：10.1073/pnas.2606947123
