细胞中钙离子的浓度变化，可以通过变化的振幅、频率和变化发生的位置，共同编码复杂多样的钙离子信号。这些钙离子信号能让机体完成包括受精、增殖、代谢、骨骼肌和心肌的收缩等贯穿生命始终的各项生理活动。
(相关资料图)
为了检测这些钙离子信号的发生，钙离子探针应运而生，它可以通过荧光变化反应细胞内钙离子浓度。经历半个多世纪的发展，基因编码的钙离子探针（Genetically Encoded Calcium Indicator，GECI）已经成为检测细胞钙离子信号或细胞活动时不可缺少的工具。
目前，领域内广泛使用的 GECI 是 GCaMP 系列。GCaMP 的初始版本诞生于 2001 年，经过 20 多年的改造其灵敏度和反应速度都已得到显著的改善。但是，它们的反应幅度也就是对于钙离子信号大小的分辨率依旧有待提高。
前不久，北京师范大学教授和教授，携手中国科学技术大学教授，研究了 GECI 动态范围迟迟没有获得进步的根本原因。
图 | 从左至右：、（来源：资料图）
在此基础之上，他们开发了名为 NEMO 的系列钙离子探针。研究中，他们先是构建了几十种基于 NEMO 的钙离子探针蛋白库，并通过活细胞钙离子成像的方式从中筛选出了动态范围、反应速度、荧光亮度较为优秀的几个版本。
随后，通过体外测试检验了这些候选蛋白的生物物理特点，通过探究发现 NEMO 系列具有高动态范围的原因。
考虑到钙离子探针应用的场景，他们也做了 NEMO 在非兴奋性细胞、兴奋性细胞、小鼠脑片和在体上面的验证研究。
结果显示在培养细胞上，NEMO 呈现出了荧光动态范围大的特质，这一特质在小鼠在体和脑片上均被保留下来，因此 NEMO 能以大的动态范围和高信噪比来反应细胞活动的变化，从而有效提升钙离子信号强度检测的分辨率，这也让 NEMO 成为第一组在胞内信号基线比反应大小超过 100 倍的 GECI。
相比现有的 GECI，NEMO 的 pH 稳定性也更加出色，抗淬灭能力更强，而且更加适合多色成像，故能为细胞活动、以及细胞钙离子成像的时空变化解析提供新的工具。
值得一提的是，神经元细胞内的钙离子浓度水平可以反应神经元的活动状态。使用成像技术结合钙离子探针——钙成像技术，可以在大范围追踪一群神经元的活动变化，这是神经科学领域的重要研究方法。因而 NEMO 系列的钙离子探针的发现，对神经科学领域的研究是一大助力。
日前，相关论文以《NEMO 作为钙指标的大动态和高灵敏度的工程》（）为题发在 Nature Methods 上[1]，李佳博士和尚紫薇博士是共同一作，教授和教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Methods）
由于 NEMO 是一种基因编码的钙离子探针蛋白，跟化学钙离子探针相比，除能在整体成像中广泛应用之外，GECI 的另一个重大优势在于，它们可以特异性地精准定位于某种细胞器，实现对细胞器钙离子信号的检测。
所以，课题组还会进一步对 NEMO 进行改进，通过添加各类定位序列，针对细胞和细胞器互作钙离子信号打造出更加灵敏的探针。此外，内质网、高尔基体、溶酶体等细胞器中静息钙离子水平，都可以达到几百微摩尔。
而为了对高钙细胞器的钙离子浓度进行测定，他们还开发了低钙亲和力版本的 NEMO，并将其命名为 NEMOer。
前期测试结果表明，与近 20 年来的内质网版本 GECI 相比，NEMOer 更亮、更灵敏、动态范围更大。
目前，研究人员已经打造出可以表达 NEMOer 系列及其比值版本 TuNer 系列的果蝇模型和斑马鱼模型，其也正在利用 NEMOer 和 TuNer 开展在体神经元内质网钙离子动态和钙离子稳态的检测工作。
另据悉，心理学与认知神经科学一直是北师大的“金牌专业”。认知神经科学和心理学是密不可分的，它们的最终目的都是解答人类如何认识世界的问题。
神经科学更加关注各种认知功能背后的神经机制，心理学则更加关注功能本身。对于神经科学来说，心理学会提供很多关于认知的理论和现象来帮助、促进和启发神经科学的研究。
比如该团队在研究小鼠空间探知与社交行为时，其实也是受到心理学研究的影响，才产生了探究小鼠行为背后的神经机制的想法。相信在未来的研究中，心理学也将给他们带来更多灵感。
参考资料：
1.Li, J., Shang, Z., Chen, JH. et al. Engineering of NEMO as calcium indicators with large dynamics and high sensitivity. Nat Methods 20, 918–924 (2023). https://doi.org/10.1038/s41592-023-01852-9
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