2023年10月31日，《Cell Discovery》期刊在线发表了题为“A genetically encoded ratiometric indicator for tryptophan”的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）穆宇研究组和杜久林研究组合作完成。该研究开发的新型遗传编码荧光蛋白探针GRIT（Genetically encoded Ratiometric Indicator for Tryptophan）能够特异、定量地在活体动物中检测细胞内的色氨酸浓度。
色氨酸是食物中含量最少的必需氨基酸，也是神经和免疫系统关键通路的前体，可代谢产生五羟色胺、犬尿氨酸。它协调着多个系统的功能，因此，活体监测色氨酸的动态有助于理解多器官、多系统同步协调的机制。然而，以往的色氨酸检测方法均无法有效实时监测活体动物中的色氨酸浓度，高效液相色谱法（HPLC）存在侵入且耗时的缺陷，响应范围非常有限的遗传编码非侵入式的探针FLIPWs则不够灵敏。
研究团队将cpsfYFP与细菌色氨酸抑制子TrpR融合，通过迭代优化和筛选，成功获得了比例型色氨酸探针GRIT。与之前的FLIPWs探针相比，GRIT的动态范围增加了30倍，并且能够在不同pH和离子浓度下正常工作，适用于不同的动物样本和细胞类型。
研究团队利用斑马鱼这一全身透明、便于遗传筛选的脊椎模式动物，成功将GRIT探针应用到了活体动物中，实现了全身尺度下、单细胞分辨率的色氨酸动态监测。在炎症过程中，GRIT监测到色氨酸在大脑和血液中的双向浓度变化。通过LPS诱导炎症斑马鱼模型，研究人员发现斑马鱼大脑内色氨酸浓度显著升高，而血浆色氨酸浓度下降。这一发现提示炎症可能导致色氨酸从血浆重新分布到身体其他组织，进一步表明了色氨酸在免疫和神经系统功能调节中的重要作用。
利用荧光信号监测效应分子在时间和空间上的变化，这一广泛应用于神经系统的研究策略，同样适合对代谢等多系统进行全面测量。GRIT探针的开发和成功应用，为全面测量多个生理系统的状态、研究其协同功能提供了新的工具和方法。成像技术、荧光探针、模式动物的有效结合，将在未来该范式的建立和推广中发挥关键作用。
该研究在中国科学院脑智卓越中心穆宇研究员和杜久林研究员共同指导下完成，陶荣坤副研究员、博士研究生王逵以及硕士研究生陈天伦为本文的共同第一作者。
图1. 用GRIT探针在细菌、哺乳动物细胞和活体斑马鱼中定量检测色氨酸浓度
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