我國學(xué)者在細(xì)胞代謝檢測與成像技術(shù)方面取得重要進(jìn)展

我國學(xué)者在細(xì)胞代謝檢測與成像技術(shù)方面取得重要進(jìn)展在國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的資助下，華東理工大學(xué)楊弋教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列特異性檢測還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的高性能遺傳編碼熒光探針iNap。相關(guān)研究成果以“Genetically encoded fluorescent sensors reveal dynamic regulation of NADPH metabolism”(遺傳編碼的熒光探針揭示NADPH代謝的動態(tài)調(diào)節(jié))為題于2017年6月5日以“研究長文”的形式在線發(fā)表在Nature Methods，2017年7月28日正式刊出。
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH/NAD+)及其磷酸化形式(NADPH/NADP+)，作為生物體內(nèi)兩對重要的輔酶和核心代謝物，常被用作評價細(xì)胞代謝狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，與衰老及相關(guān)疾病如癌癥、糖尿病、肥胖癥、心腦血管疾病、神經(jīng)性退行性疾病等的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。長久以來，細(xì)胞代謝的檢測主要依賴酶學(xué)、色譜、質(zhì)譜等，這些方法不僅破壞了細(xì)胞或生物體的完整性，更難以應(yīng)用于高通量篩選。
 
為了解決這一重要科學(xué)難題，2011年，楊弋教授團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)方法開發(fā)了一系列遺傳編碼的NADH熒光探針，實(shí)現(xiàn)了在活細(xì)胞及各種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中對NADH分子的實(shí)時動態(tài)、特異性的檢測與成像(Cell Metabolism, 2011, 14, 555)。2015年，該團(tuán)隊(duì)又報道了可同時檢測NAD+，NADH及其比率的第二代細(xì)胞代謝熒光探針NADH氧化還原比率探針(SoNar)，像火眼金睛一樣，可察覺到癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的微細(xì)代謝差異(Cell Metabolism, 2015, 21, 777)。并進(jìn)一步建立了細(xì)胞代謝熒光探針在單細(xì)胞、活體動物成像及高通量藥物篩選方面的系統(tǒng)研究方法(Nature Protocols, 2016, 11, 1345)。
 
NADH和NADPH的熒光光譜相似，但是二者的生理功能卻顯著不同。NADH主要參與物質(zhì)能量代謝，而NADPH主要參與合成代謝以及抗氧化，傳統(tǒng)的自發(fā)熒光分析方法很難區(qū)分這兩種小分子。該研究團(tuán)隊(duì)在第二代NADH熒光探針SoNar的基礎(chǔ)上，通過對底物結(jié)合蛋白的理性設(shè)計和改造，開發(fā)了一系列高性能遺傳編碼熒光探針iNap，特異性檢測NADPH，實(shí)現(xiàn)了在活體、活細(xì)胞及各種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中對NADPH代謝的高時空分辨檢測與成像。該研究報道了癌細(xì)胞內(nèi)不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中游離的NADPH水平，發(fā)現(xiàn)了氧化應(yīng)激時癌細(xì)胞內(nèi)NADPH代謝受葡萄糖水平動態(tài)調(diào)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)源性類固醇激素DHEA通過抑制G6PD活性和激活A(yù)MPK活性，對NADPH代謝實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)作用。鑒于AMPK信號通路在衰老、糖尿病、肥胖癥以及癌癥中的重要角色，這一研究結(jié)果有望破解DHEA作為一種藥物和膳食補(bǔ)充劑在這些疾病方面發(fā)揮出的有益作用。NADPH作為細(xì)胞內(nèi)的還原力，在生理或病理?xiàng)l件下發(fā)揮重要角色。該研究報道的細(xì)胞代謝熒光探針iNap，不僅可應(yīng)用于抗氧化、AMPK、脂肪酸合成等代謝途徑與通路分析，也可用于衰老及相關(guān)疾病創(chuàng)新藥物的發(fā)現(xiàn)。