Design and optimization of a kinase-controlled allosteric switch.
翻译后修饰可实现细胞行为的快速精确调控，但构建磷酸化合成通路的通用策略有限。作者提出利用工程别构原理设计磷酸化控制蛋白开关（phospho-switch）。以别构可控的 Gal4 转录因子为支架，将经典激酶 FRET 生物传感器 EKAR 的感知域插入 Gal4 DNA 结合域 SK22 位点，使 ERK 磷酸化事件通过 Pin1 ...
Optogenetic Strategies for Optimizing the Performance of Phospholipids Biosensors.
高性能生物传感器对阐明膜磷脂复杂时空调控作用与动态变化至关重要，但提高灵敏度和成像性能仍是挑战。本文提出基于光遗传学的磷脂生物传感器优化策略。首先，利用循环置换LOV2（cpLOV2）介导的核质运输系统，将未结合探针在暗态下预隔离于细胞核，并通过蓝光调控其胞质水平，从而降低高表达条件下未结合探针造成的背景干扰，提高磷脂检测的信背比。...
Transient cAMP production drives rapid and sustained spiking in brainstem parabrachial neurons to suppress feeding.
短暂刺激可触发更持久的脑状态。G蛋白偶联受体（GPCR）可通过将慢时间尺度分子信号与神经元兴奋性耦联来维持这种状态。脑干旁桥核谷氨酸能神经元（PBNGlut）调节疼痛等持续脑状态，并表达Gs偶联GPCR，可增强环磷酸腺苷（cAMP）信号。作者询问PBNGlut神经元中cAMP是否直接影响其兴奋性及行为效应。结果显示，短暂尾击和短暂光...
All-optical spatiotemporal mapping of ROS dynamics across mitochondrial microdomains in situ.
过氧化氢（H2O2）作为第二信使，通过线粒体内高度区室化的产生传递代谢应激信号。活性氧（ROS）在线粒体区室与细胞质之间生成和扩散的动态决定氧化应激反应与病理过程，但机制仍不清楚。本研究将 H2O2 生物传感器 HyPer7 与靶向多个线粒体微区室的 ROS 生成蛋白 KillerRed（KR）光遗传刺激相结合，实现单线粒体 H2O...
Design and Initial Characterization of a Small Near-Infrared Fluorescent Calcium Indicator.
近红外（NIR）基因编码钙指示剂（GECI）正成为神经科学研究中的有力工具。由于其光谱特性，NIR GECI 可避免哺乳动物组织中色素吸收、光散射和自荧光造成的信号损失，并且在与常用荧光指示剂及光遗传学执行器联用时不易产生交叉激发伪影。尽管已有多种 NIR GECI，但目前尚无一种能同时具备细胞内高亮度、良好光稳定性、小分子尺寸和快...
Optogenetic control of receptors reveals distinct roles for actin- and Cdc42-dependent negative signals in chemotactic signal processing.
在趋化运动中，中性粒细胞利用细胞表面G蛋白偶联受体（GPCR）感知趋化因子梯度。下游信号网络通过多重反馈环路放大微弱输入，并促进细胞前/后极性分离。正反馈可能加速信号扩散，但受体信息却以高空间保真度传递，使细胞能分辨跨膜微小浓度差。信号网络如何在放大信号的同时保留空间信息仍不清楚。Cdc42是细胞前极性协调因子，其活性不对称可预测细...
Advanced Optogenetic-Based Biosensing and Related Biomaterials.
光遗传学通过光控手段刺激哺乳动物细胞，显著拓展了对电兴奋组织电生理机制的理解。在先进生物材料支撑下，光遗传学近期为跨生物医学主流的生物分析应用开辟了新传感概念。本文综述了光遗传学生物传感中使能生物材料及新概念的进展，重点讨论工程化细胞在细胞基传感平台中的应用，以及从简单执行器、报告基因到多功能光-化学遗传学工具的光遗传工具箱，用于实...
Sensing the future of bio-informational engineering.
合成生物学的实践正被整合到“多尺度”设计中，使有机与无机信息基质之间在生物、数字和赛博物理系统集成中实现双向通信。“生物信息”工程的新应用将出现在环境监测、精准农业、精准医学和下一代生物制造中。潜在发展包括用于环境监测的哨兵植物以及响应生物传感器信号的自主生物反应器。随着对生物信息理解的深入，天然和工程化生物系统都需要被重新构想为赛...
Single-Cell Activation of the cAMP-Signaling Pathway in 3D Tissues with FRET-Assisted Two-Photon Activation of bPAC.
细菌光激活腺苷酸环化酶（bPAC）广泛用于信号转导研究，但其双光子吸收截面低，难以通过双光子激发高效激活。本研究利用单体青色荧光蛋白1（mTFP1）的高双光子吸收特性，基于FRET辅助光激活技术开发了可双光子激活的bPAC（2pabPAC），即mTFP1ΔC11与bPAC的融合蛋白。在2pabPAC中，mTFP1吸收870 nm双光...
Optogenetic Control for Investigating Subcellular Localization of Fyn Kinase Activity in Single Live Cells.
既往多种 Src 家族激酶生物传感器研究显示，细胞核内激酶活性明显低于胞质，提示核与胞质存在不同调控。本研究以 Fyn 为例，构建了带光诱导核定位信号的 Fyn FRET 生物传感器，证明 Fyn 激酶活性在核内显著低于胞质。为进一步理解 Fyn 与其磷酸酶在胞质和核内不同平衡状态的维持机制，作者又构建了融合光诱导核定位信号的 Fy...
Booster, a Red-Shifted Genetically Encoded Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Biosensor Compatible with Cyan Fluorescent Protein/Yellow Fluorescent Protein-Based FRET Biosensors and Blue Light-Responsive Optogenetic Tools.
基于 Förster 共振能量转移（FRET）的基因编码生物传感器已被用于可视化信号分子活性。目前大多数传感器由青色荧光蛋白和黄色荧光蛋白（CFP/YFP）组成，限制了在单个细胞内同时使用多种 FRET 传感器，且与蓝光驱动的光遗传工具不兼容。为克服这些问题，作者开发了具有红移激发和发射波长的 FRET 生物传感器。通过计算 För...
What directions of improvements in electrode designs should we expect in the next 5-10 years?
植入式神经生物电子器件有望成为神经系统疾病的治疗手段。美国 FDA 已批准电刺激用于听力障碍、帕金森病、癫痫等疾病，神经技术也可检测局部神经元活动以恢复功能。然而，现有电极在长期可靠性上的差异限制了其作为治疗或研究工具的效率。过去 5–10 年，神经电极在信号质量、分辨率和寿命方面已有提升，但仍需进一步改进电极设计以推动科学边界和临...
Interneurons Regulate Locomotion Quiescence via Cyclic Adenosine Monophosphate Signaling During Stress-Induced Sleep in
睡眠在进化上保守，研究线虫等简单无脊椎动物可在单细胞水平揭示睡眠机制。跨物种保守的睡眠调控通路涉及环磷酸腺苷（cAMP），它作为第二信使激活蛋白激酶A。线虫在环境损伤引起的细胞应激后出现应激诱导睡眠（SIS），是研究疾病相关睡眠的模型，且由简单神经回路控制，便于解析睡眠中的 cAMP 信号。作者利用红光激活的腺苷酸环化酶 IlaC2...
Development of an image biosensor based on an optogenetically engineered cell for visual prostheses.
视觉假体通过电刺激存活视觉细胞为盲人提供人工视觉，但高分辨率视觉感知、长期生物相容性和安全性仍是现有视觉假体的主要挑战。本文提出一种利用活细胞作为集成电子器件和可植入微电极的新型视觉假体方法。作者将通道视紫红素2（ChR2）导入人胚胎肾细胞（HEK293），使其表达ChR2-增强型黄色荧光蛋白（EYFP）融合蛋白，构建光遗传工程细胞...
Near-Infrared Fluorescent Proteins: Multiplexing and Optogenetics across Scales.
哺乳动物组织对近红外（NIR）光相对透明，因此由细菌光敏色素工程改造得到的NIR荧光蛋白（FPs）已成为非侵入活体成像的常用探针。近年来，这些遗传编码NIR探针在亮度、单体化、光谱特性和生物传感器兼容性方面显著提升，使此前难以实现的成像实验成为可能。本文综述单体NIR荧光蛋白与NIR生物传感器如何与常见绿色荧光蛋白（GFP）探针及蓝...
Direct multiplex imaging and optogenetics of Rho GTPases enabled by near-infrared FRET.
由于现有遗传编码探针存在光谱重叠，直接可视化并光控多个细胞过程具有挑战。本文报道迄今最红移的单体近红外（NIR）荧光蛋白 miRFP720，以及全近红外 Förster 共振能量转移（FRET）对 miRFP670–miRFP720，使所设计的生物传感器能够与 CFP–YFP 成像和蓝绿光遗传学工具兼容。作者开发了 Rac1 GTP...
Genetically-encoded tools for cAMP probing and modulation in living systems.
细胞内 3′-5′-环腺苷酸单磷酸（cAMP）是众多信号转导通路（包括 G 蛋白偶联受体触发通路）下游的主要第二信使之一。数十年来，cAMP 生化检测在基础研究和药物发现中发挥了重要作用，为细胞生理学和制药工业提供了依据。然而，尽管成绩显著，大多数传统 cAMP 检测工具存在共同根本缺陷：测量前必须破坏样品以释放 cAMP。这一瓶颈...
Genetically encoded molecular probes to visualize and perturb signaling dynamics in living biological systems.
本评论讨论两类基因编码分子工具，它们显著增强了在天然环境中观察和操控复杂生化过程的能力，并深化了对细胞内信号网络分子机制的理解。基因编码生物传感器被广泛用于在活细胞中直接可视化信号事件；文中重点介绍了几种基础传感器设计，使研究者能够以高细节捕捉第二信使和信号酶等大量信号分子的空间与时间动态。同时，文章讨论多种基因编码生化扰动技术，它...
Simultaneous electroencephalography, real-time measurement of lactate concentration and optogenetic manipulation of neuronal activity in the rodent cerebral cortex.
尽管脑组织质量不足体重的5%，静息时却消耗全身约四分之一的葡萄糖。非快速眼动睡眠（NREMS）占睡眠大部分时间，其功能尚不明确，但显著特征是脑葡萄糖利用较清醒时降低。NREMS 与脑电图中低于4 Hz的慢波相关，慢波反映皮层神经元在去极化上状态与超极化下状态间振荡；下状态期间神经元可数百毫秒不产生动作电位，而动作电位后离子梯度恢复是...
Optogenetic control of phosphoinositide metabolism.
磷脂酰肌醇（PIs）是细胞膜脂质，调控多种细胞功能。本研究利用植物蛋白隐花色素2（CRY2）与转录因子CIBN在蓝光下诱导的二聚化，快速、局部且可逆地控制质膜PI水平。将OCRL的肌醇5-磷酸酶结构域（5-ptaseOCRL，作用于PI(4,5)P2和PI(3,4,5)P3）融合到CRY2的光解酶同源区，并将CIBN融合到质膜靶向基...