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细胞代谢研究原创技术
发布日期:2017-06-06    浏览次数:457

6月5日,国际权威学术期刊Nature Methods上以“研究长文”的形式在线报道了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心成员杨弋教授,及中国科学技术大学刘海燕教授合作研究成果:“Genetically encoded fluorescent sensors reveal dynamic regulation of NADPH metabolism”。

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,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)。

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。在第二代NADH荧光探针SoNar的基础上,研究团队通过对底物结合蛋白的理性设计和改造,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,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。利用iNap,研究团队精确测定了癌细胞内不同亚细胞结构中NADPH水平,发现其水平受NAD激酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶G6PD活性调节,并进一步证明氧化应激时癌细胞内NADPH代谢受葡萄糖水平的动态调节。基于大量数据,他们提出了哺乳动物细胞有很强的维持生理NADPH稳态的观点。研究团队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。此外,iNap也指示NADPH代谢与巨噬细胞免疫激活以及机体创伤反应密切相关。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。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。

参与该项研究工作的还有中国科学院神经科学研究所、清华大学浙江长三角研究院及哈佛大学医学院的科学家。该项研究得到了国家自然科学基金、“973”计划、上海市科委项目、中国科协“青年人才托举过程”、上海市青年拔尖人才计划、“111”计划、生物反应器工程国家重点实验室基金、教育部基本科研业务费、高等学校博士学科点专项科研基金等经费资助。