Nature Methods長文報道我校細胞代謝研究原創(chuàng)技術
6月5日，國際權(quán)威學術期刊Nature Methods上以“研究長文”的形式在線報道了華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室、藥學院楊弋教授、趙玉政研究員課題組與中國科學技術大學劉海燕教授課題組合作的研究成果：“Genetically encoded fluorescentsensors reveal dynamic regulation of NADPH metabolism”。
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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)兩對最重要的輔酶和核心代謝物，常被用作評價細胞代謝狀態(tài)的關鍵指標，與衰老及相關疾病如癌癥、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。長久以來，細胞代謝的檢測主要依賴酶學、色譜、質(zhì)譜等，這些方法不僅破壞了細胞或生物體的完整性，更難以應用于高通量篩選。為了解決這一重要科學難題，2011年，楊弋教授團隊利用合成生物學方法開發(fā)了一系列遺傳編碼的NADH熒光探針，實現(xiàn)了在活細胞及各種亞細胞結(jié)構(gòu)中對NADH分子的實時動態(tài)、特異性的檢測與成像（Cell Metabolism, 2011, 14, 555）。2015年，該團隊又報道了可同時檢測NAD+，NADH及其比率的第二代細胞代謝熒光探針SoNar，像火眼金睛一樣，可察覺到癌細胞與正常細胞的微細代謝差異（Cell Metabolism, 2015, 21,777）,并進一步建立了細胞代謝熒光探針在單細胞、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。在第二代NADH熒光探針SoNar的基礎上，通過對底物結(jié)合蛋白的理性設計和改造，開發(fā)了一系列特異性檢測NADPH的高性能遺傳編碼熒光探針iNap，實現(xiàn)了在活體、活細胞及各種亞細胞結(jié)構(gòu)中對NADPH代謝的高時空分辨檢測與成像。利用iNap，研究團隊精確測定了癌細胞內(nèi)不同亞細胞結(jié)構(gòu)中NADPH水平，發(fā)現(xiàn)其水平受NAD激酶和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶G6PD活性調(diào)節(jié)，并進一步證明氧化應激時癌細胞內(nèi)NADPH代謝受葡萄糖水平的動態(tài)調(diào)節(jié)?；诖罅繑?shù)據(jù)，他們提出了哺乳動物細胞有很強的維持生理NADPH穩(wěn)態(tài)的觀點。研究團隊發(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AMPK活性，對NADPH代謝實現(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充劑在這些疾病方面發(fā)揮出的有益作用。此外，iNap也指示NADPH代謝與巨噬細胞免疫激活以及機體創(chuàng)傷反應密切相關。NADPH作為細胞內(nèi)的還原力，在生理或病理條件下發(fā)揮重要角色。細胞代謝熒光探針iNap，不僅可應用于抗氧化、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疾病創(chuàng)新藥物的發(fā)現(xiàn)。
論文的第一作者為我校博士生陶榮坤、趙玉政研究員和中科大博士生初環(huán)宇，通訊作者為楊弋教授和劉海燕教授。趙玉政研究員是前沿科學研究院光遺傳學交叉學科研究中心的PI，也是我校首位特聘研究員，在科研特區(qū)和“特聘研究員”計劃相關政策的支持下，3年內(nèi)連續(xù)在Nature Methods、Nature Protocols（封面文章）、Cell Metabolism發(fā)表多篇高水平研究成果，并作為負責人成功獲批3項國家級和3項省部級項目的資助。參與該項研究工作的還有中國科學院神經(jīng)科學研究所、清華大學浙江長三角研究院及哈佛大學醫(yī)學院的科學家。該項研究得到了國家自然科學基金、“973”計劃、上海市科委項目、中國科協(xié)“青年人才托舉過程”、上海市青年拔尖人才計劃、“111”計劃、生物反應器工程國家重點實驗室基金、教育部基本科研業(yè)務費、高等學校博士學科點專項科研基金等經(jīng)費資助。論文鏈接：https://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.4306.html。
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