2023年4月20日，认知神经科学与学习国家重点实验室的章晓辉团队、生命科学学院的王友军与中国科学技术大学的唐爱辉团队合作，以共同通讯的方式在国际知名学术期刊《自然-方法》（Nature Methods）上发表题 “Engineering of NEMO as calcium indicators with large dynamics and high sensitivity” 的论文，开发构建出一类新型的检测钙信号的荧光蛋白探针 “NEMO（尼莫）” ，具有更强和更精准的测定性能。

生命体的许多活动都离不开钙离子（Ca²⁺）信号分子。细胞内钙离子浓度时空变化被称之为钙信号，它控制或调节各种细胞生命活动。开发灵敏和精准的钙信号检测探针工具，对探究生命活动相关的信号机制和规律至关重要。目前在领域内被广泛应用的遗传编码的钙信号（荧光）探针（genetically encoded Ca²⁺ indicators, GECIs）工具为GCaMP系列。在2001年最初构建的GCaMP1版本上多次迭代改造后，至2023年最新发展的GCaMP8系列具备了显著改善的灵敏度和反应速度，但它们的反应幅度，即对钙信号大小的分辨率和线性动态范围始终有待提高。

图1、遗传编码钙探针（GECI）NEMO的设计示意图。

合作团队在探针构建策略上独辟蹊径，采用了亮度更高的新型荧光蛋白mNeoGreen来替换广泛使用的cpGFP，引入并尝试了多种已知GECI的构建及优化手段后，获得了一组命名为“NEMO”的新型GECI（图1）。NEMO比现有GECI的pH稳定性更高，抗光淬灭能力更强，灵敏度及钙响应幅度有了非常显著的提升，是首组在胞内的反应大小超过100倍的GECI。

合作团队进一步在非兴奋性细胞系（图2A）、离体培养的大鼠神经元（图2B）、小鼠脑内视皮层神经元（图2C）及深部脑区感觉神经元测定中发现，相比于最新的jGCaMP8s或最广泛使用的GCaMP6s，NEMO对胞内钙信号具有更高灵敏度与信噪比，其反应幅度提高约10倍，并且其反应速度与GCaMP6f相当。

图2、NEMO钙探针在（A）非兴奋性细胞，（B）分离神经元及（C）小鼠在体脑神经元中的反应示例

综上，该项研究表明，新型NEMO探针对胞内钙信号或钙依赖的细胞活动幅度具有更高的分辨率，可为检测神经元活动及细胞钙信号的时空变化提供了一组性能更优越的钙信号探针。

本项工作得到国家自然科学基金委重大研究计划、重点项目及面上项目、科技创新2030计划、科技部重点研发计划及博士后基金的支持。北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的邢大军、体育学院的候莉娟、生科院的李杰婕团队也参与了此项研究。博士研究生李佳、尚紫薇、陈佳慧、谷文佳和姚立为本文的共同第一作者。

论文链接：

Li J. #, Shang Z.W. #, Chen J.H. #, Gu W.J. #, Yao L.#, Yang X., Sun X.W., Wang L.Q., Wang T.L., Liu S.Y., Li J.L., Hou T.T., Xing D.J., Gill D.J. Li J., Wang S.Q., Hou L.J., Zhou Y.B.*, Tang A.H.*, Zhang X.H.*, Wang Y.J.* (2023) Engineering of NEMO as calcium indicators with ultra-high dynamics and sensitivity. Nature Methods https://doi.org/10.1038/s41592-023-01852-9 (#: equal contribution; *: corresponding authors)

https://www.nature.com/articles/s41592-023-01852-9