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我国学者在细胞代谢检测与成像技术方面取得重要进展
2017年08月08日    作者: 张艳、郑企雨、杨俊林、陈拥军    发布 : 化学科学部

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH/NAD+)及其磷酸化形式(NADPH/NADP+),作为生物体内两对最重要的辅酶和核心代谢物,常被用作评价细胞代谢状态的关键指标,与衰老及相关疾病如癌症、糖尿病、肥胖症、心脑血管疾病、神经性退行性疾病等的发生发展密切相关。长久以来,细胞代谢的检测主要依赖酶学、色谱、质谱等,这些方法不仅破坏了细胞或生物体的完整性,更难以应用于高通量筛选。为了解决这一重要科学难题,2011年,华东理工大学杨弋教授团队利用合成生物学方法开发了一系列遗传编码的NADH荧光探针,实现了在活细胞及各种亚细胞结构中对NADH分子的实时动态、特异性的检测与成像(Cell Metabolism, 2011, 14, 555)。2015年,该团队又报道了可同时检测NAD+,NADH及其比率的第二代细胞代谢荧光探针SoNar,像火眼金睛一样,可察觉到癌细胞与正常细胞的微细代谢差异(Cell Metabolism, 2015, 21, 777)。并进一步建立了细胞代谢荧光探针在单细胞、活体动物成像及高通量药物筛选方面的系统研究方法(Nature Protocols, 2016, 11, 1345)。近期,该团队开发了一系列特异性检测NADPH的高性能遗传编码荧光探针iNap,相关研究成果以“Genetically encoded fluorescent sensors reveal dynamic regulation of NADPH metabolism”(遗传编码的荧光探针揭示NADPH代谢的动态调节)为题于2017年6月5日以“研究长文”的形式在线发表在Nature Methods,2017年7月28日正式刊出(Nature Methods, 2017, 14, 720-728)。

NADH和NADPH的荧光光谱相似,但是二者的生理功能却显著不同。NADH主要参与物质能量代谢,而NADPH主要参与合成代谢以及抗氧化,传统的自发荧光分析方法很难区分这两种小分子。该研究团队在第二代NADH荧光探针SoNar的基础上,通过对底物结合蛋白的理性设计和改造,开发了一系列高性能遗传编码荧光探针iNap,特异性检测NADPH,实现了在活体、活细胞及各种亚细胞结构中对NADPH代谢的高时空分辨检测与成像。该研究首次报道了癌细胞内不同亚细胞结构中游离的NADPH水平,发现了氧化应激时癌细胞内NADPH代谢受葡萄糖水平动态调节。研究团队也进一步发现人体内源性类固醇激素DHEA通过抑制G6PD活性和激活AMPK活性,对NADPH代谢实现双向调节作用。鉴于AMPK信号通路在衰老、糖尿病、肥胖症以及癌症中的重要角色,这一研究结果有望破解DHEA作为一种药物和膳食补充剂在这些疾病方面发挥出的有益作用。

NADPH作为细胞内的还原力,在生理或病理条件下发挥重要角色。该研究报道的细胞代谢荧光探针iNap,不仅可应用于抗氧化、AMPK、脂肪酸合成等代谢途径与通路分析,也可用于衰老及相关疾病创新药物的发现。论文链接:https://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.4306.html

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该系列研究得到国家自然科学基金重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”(91313301)、“器官衰老与器官退行性变化的机制”(91649123)及杰出青年基金、面上项目等的资助,陶荣坤博士、赵玉政研究员和初环宇博士为共同第一作者。华东理工大学杨弋教授和中国科学技术大学刘海燕教授为文章的共同通讯作者。

化学科学部 张艳、郑企雨、杨俊林、陈拥军 供稿

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