开发基因编码黑皮质素传感器FLAREMC实现高灵敏度体内成像以解析能量平衡调控机制

本研究针对中枢黑皮质素系统中α-MSH释放动态过程监测技术缺失的难题，开发了基于MC1R支架的基因编码荧光传感器FLAREMC。该传感器具备高选择性、光稳定性和可逆激活特性，成功应用于下丘脑PVN区体内检测，为解析食欲调控的神经机制提供了突破性工具。

　　

在神经科学领域，中枢黑皮质素系统（melanocortin system）作为调控能量平衡的关键通路一直备受关注。该系统由前阿黑皮素原（pro-opiomelanocortin, POMC）衍生的黑素细胞刺激激素（α-、β-、γ-MSH）与黑皮质素4受体（melanocortin 4 receptor, MC4R）以及刺豚鼠相关蛋白（agouti-related protein, AgRP）共同构成，通过复杂相互作用调节食欲和代谢过程。然而，由于缺乏高特异性、高时空分辨率的监测工具，科学家们难以实时观测α-MSH在活体大脑中的动态释放过程，这严重限制了对食欲调控神经机制的深入解析。

为突破这一技术瓶颈，由Yoon Namkung、Tal Slutzki、Joao Pedroso、Xiaohong Liu、Paul V. Sabatini、Maia V. Kokoeva和Stéphane A. Laporte组成的研究团队开展了一项创新性研究，成功开发出首个基因编码的黑皮质素荧光传感器。这项发表于《Molecular Metabolism》的研究利用蛋白质工程和分子成像技术，构建了能够特异性检测α-MSH的新型生物传感器，为研究黑皮质素系统功能提供了革命性工具。

研究人员采用黑皮质素1受体（melanocortin 1 receptor, MC1R）作为分子支架，利用其细胞膜表达稳定、对黑皮质素亲和力高且对AgRP亲和力低的特性，通过将环状置换绿色荧光蛋白（circularly permuted green fluorescent protein, cpGFP）整合到受体结构中，设计出命名为FLuorescence Amplified REceptor sensor for Melanocortin（FLARE_MC）的新型传感器。研究团队在异源和同源表达细胞系统中验证了传感器的性能，并通过体内实验证明其在神经科学研究中的应用价值。

研究方法主要包括分子工程构建FLARE_MC传感器，在细胞模型中进行药理学特性表征（包括激动剂MTII和反向激动剂AgRP的测试），评估信号转导特性（G蛋白激活和β-arrestin偶联），以及通过光学成像技术分析光稳定性和可逆光激活特性。最终在C57BL/6小鼠下丘脑室旁核（paraventricular nucleus, PVN）进行体内验证实验。

Objectives

研究旨在开发能够特异性检测α-MSH释放的基因编码传感器，以解决现有技术无法实时监测黑皮质素系统动态活动的问题。中枢黑皮质素系统在能量平衡调控中起关键作用，但缺乏高灵敏度、高时空分辨率的监测工具。

Methods

研究团队利用MC1R受体的特性，通过整合cpGFP构建FLARE_MC传感器。该方法基于受体工程策略，将荧光报告模块精准嵌入受体结构域，确保传感器保持对α-MSH的高亲和力同时丧失正常信号转导功能。

Results

实验结果表明，FLARE_MC传感器在多种细胞模型中表现出对α-MSH和合成激动剂MTII的高效力和选择性，而对反向激动剂AgRP无响应。传感器显示出受损的信号转导功能：G蛋白激活显著降低，缺乏β-arrestin偶联能力，且激动剂刺激后不发生内化。体外实验中，FLARE_MC表现出高光稳定性和可逆光激活特性，适合长期脑活动记录而不引起脱敏或干扰内源性黑皮质素受体信号。在小鼠下丘脑PVN区——厌食性α-MSH信号的主要作用部位，FLARE_MC成功检测到与黑皮质素响应相关的体内变化。

Conclusions

FLARE_MC传感器的开发实现了在培养细胞和体内环境中对黑皮质素系统的研究。作为首个高灵敏度黑皮质素传感器，该工具将极大推动对黑皮质素依赖性食欲调控及相关脑过程复杂动态机制的理解。

研究结论强调，FLARE_MC传感器不仅解决了黑皮质素动态监测的技术难题，更重要的是为神经代谢研究提供了新型研究工具。该传感器独特的设计使其能够在不干扰内源性信号通路的前提下进行长期成像，这一特性对于解析能量平衡的神经调控机制具有重要意义。研究人员指出，这一技术平台可扩展应用于其他神经肽系统的研究，为神经系统功能解析提供更广泛的技术支持。该研究的成功标志着神经传感器技术领域的重大进展，为未来开发更精准的神经调控疗法奠定了坚实基础。