英文原题：Genetically Encoded Photocatalysis Enables Spatially Restricted Optochemical Modulation of Neurons in Live Mice
通讯作者：Wei-Guang Li (李伟广), Tian-Le Xu (徐天乐), and Yiyun Chen (陈以昀)
作者：Kaixing Zeng (曾凯星), Zhi-Han Jiao (焦志涵), Qin Jiang (姜琴), Ru He (贺茹), Yixin Zhang (张祎昕), Wei-Guang Li (李伟广),* Tian-Le Xu (徐天乐),* Yiyun Chen (陈以昀)*
背景介绍
神经元具有环境快速响应特性，其在体实时调控十分重要，但神经元复杂环路及精细亚细胞结构使其调控极具挑战。光遗传学技术使神经元能够迅速对光信号产生响应，但现有技术作用对象为遗传编码的光敏蛋白，无法调控生物功能多样的小分子。小分子具有结构多样性，可以适用于多种蛋白质靶标，在神经元调控中极具优势。现阶段的神经元小分子光调控技术通过激发态光解去笼，其释放的活性小分子在照射区域内均匀分布，无法实现神经调控需要的亚细胞特异性、投射特异性及细胞类型特异性。光催化反应通过在光催化剂附近产生和释放活性物质，为特定靶标的干预提供卓越的空间特异性。然而，当前的光催化方法主要使用抗体标记的重金属光催化剂实现空间特异性，在脆弱敏感的神经系统适用性有限。
文章亮点
1
在活细胞不同亚细胞器中，通过遗传编码的光催化技术空间特异性光控释放多种生物活性小分子，实现了亚细胞特异性蛋白功能光调控。
2
在离体神经元中，通过遗传编码的光催化技术空间特异性光控释放线粒体解偶联剂，首次实现了神经元线粒体膜电位的靶向光调控。通过进一步与光遗传学技术联用，实现了神经投射突触前GABA(B)受体的特异性光激活。
3
在活体小鼠中，通过遗传编码的光催化技术空间特异性光控释放GABA(B)受体激动剂巴氯芬，首次揭示了NaV1.8+神经元是外周GABA痒觉调控的关键作用细胞类型。
图文解读
作者设计合成了双功能配体-有机染料小分子BGFL，可以在活细胞内与SNAP-tag蛋白偶联得到可遗传编码的杂合蛋白光催化剂SNAP-FL。该蛋白光催化剂SNAP-FL具有优秀的光催化性质与光化学稳定性，可见光照射后可以在体外及体内快速高效生成超氧自由基阴离子，促进脱硼羟基化反应释放生物活性小分子（图1A）。基于该杂合蛋白光催化剂的可遗传编码性，该技术在线粒体、细胞核、内质网及细胞质等亚细胞器均可实现空间特异性的光催化释放抗癌药物阿霉素（DOX），从而实现了亚细胞特异性的蛋白质功能光调控（图1B）。作者使用该光催化小分子调控的方法在离体的小鼠皮层神经元中靶向释放线粒体解偶联剂DNP，实现了线粒体膜电位的精准调控，并具有细胞特异性（图1C）。
图1. 遗传编码的光催化小分子释放调控多种细胞器及神经元功能
利用该方法，作者进一步实现了长程神经投射的精准控制。将SNAP-tag蛋白表达在皮层→杏仁核长程神经投射并构建了杂合蛋白光催化剂SNAP-FL。将遗传编码的光催化技术与光遗传学技术联用，在小鼠皮层-杏仁核神经投射同时实现了对突触传递的光化学/光遗传学调控和电生理测量。研究发现，光催化释放的小分子巴氯芬具有神经投射特异性，可仅在特定的神经投射突触前激活GABA(B)受体，并不影响其他区域（图2）。该技术不仅通过光遗传学靶向刺激单类的神经投射，还可经遗传编码的光化学反应实现特定神经投射的小分子局部精准释放，为神经科学研究者提供了更灵活、更强大的实验手段。
图2. 投射特异性的小分子释放调控长程神经投射的突触传递
在活体小鼠实验中，研究人员通过绿光照射小鼠皮肤实现了小分子巴氯芬的光催化释放，从而有效缓解瘙痒。研究人员比较了NaV1.8+感觉神经末梢的特异性释放与泛外周神经元末梢的广泛性释放分别对小鼠瘙痒的影响，发现只有前者特异性的光控释放可有效缓解小鼠的痒觉抓挠行为，首次揭示NaV1.8+神经元是外周GABA(B)受体调节痒觉信息传递的关键作用细胞类型（图3）。
图3. 细胞类型特异性的小分子光控释放解析小鼠中抗瘙痒信号传导机制
总结与展望
作者发展了遗传编码的光催化调控神经元技术，该技术通过无金属的生物正交光催化脱硼羟基化反应，空间特异性的光控释放生物活性小分子，在活细胞、离体神经元和活体小鼠中首次实现了亚细胞特异性、投射特异性和细胞类型特异性的神经元光化学调控。该技术为即时调控特定空间区域的小分子靶点提供了全新途径，克服了传统光催化方法中金属光催化剂的神经毒性和抗体靶向能力不足的挑战，为神经科学的光调控研究提供全新的工具。
通讯作者信息
陈以昀：现任中国科学院上海有机化学研究所生命过程小分子调控全国重点实验室研究员，兼任上海科技大学物质学院教授。主要从事生物相容性光化学研究，致力于发展生物相容性的光化学新方法用于分子科学及生命科学的研究。入选国家海外高层次人才引进计划青年项目、上海市优秀学术带头人（青年）；主持国家基金委重点项目、优秀青年基金项目（结题优秀）、中科院创新交叉团队（团队负责人）；荣获药明康德生命化学研究奖、首届光化学优秀青年科学家奖等荣誉。任中国化学会光化学专业委员会委员，中国感光学会光化学和光生物专业委员会委员，中国神经科学学会“离子通道与受体”专业委员会常委委员，ChemPhotoChem创刊编委，Organic Chemistry Frontiers顾问编委等。研究成果发表于J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed., Nat. Chem., Nat. Chem. Biol., ACS Cent. Sci., JACS Au等学术期刊。
课题组网页：
http://yiyunchen.sioc.ac.cn/
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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