【明升体育m88】系列遗传编码荧光探针“精准追踪”细胞代谢

——记教育部自然科学奖一等奖项目“活细胞氧化还原代谢精准监测方法研究”

稿件来源:党委宣传部   |作者:张婷   |摄影:受访者供图   |编辑:   |浏览量:10

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代谢是生命的基本特征,各类氧化还原反应可为生命体提供能量与构建模块,是细胞代谢的核心。几乎所有重大疾病都与代谢相关,如糖尿病、肥胖症、衰老、肿瘤、神经退行性疾病等。因此,对细胞氧化还原代谢进行检测与干预,将有助于探索生命活动的规律,为疾病的诊断与治疗提供有力的依据。

m88药学院杨弋教授团队,十余年来致力于生物化学与细胞生物学新方法领域的研究,领衔的“活细胞氧化还原代谢精准监测方法研究”项目,原创开发了Frex、SoNar、iNap、FiNad系列遗传编码荧光探针,实现在单细胞和活体动物水平对细胞代谢氧化态的高时空分辨检测和成像,是前所未有的新方法和新工具,被国际同行称为“颠覆性技术”,全球已有1000多家实验室跟踪应用。日前,该项目喜获2020年教育部自然科学奖一等奖。

图片说明:团队大家庭


十年磨剑攻关颠覆技术

从2006年加入m88组建课题组至今,杨弋始终带领团队致力于合成生物学与光遗传学前沿领域的研究,项目的第二完成人赵玉政教授也从学子成长为合作者,他们携手发展的系列高性能氧化还原代谢荧光探针,既为氧化还原代谢相关的生命科学基础研究提供创新工具,也可广泛用于生物制造与药物发现等应用领域。    

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH/NAD+)及其磷酸化形式(NADPH/NADP+),是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,与衰老及癌症、糖尿病、肥胖症、心脑血管疾病、神经退行性疾病等的发生发展密切相关。比如,癌细胞代谢的改变就是肿瘤发生与生长的根本原因,通过控制癌细胞的异常代谢来杀伤、抑制癌细胞,或使之回到正常细胞,可有效抑制癌症发生的进程。    

作为生命最小活动单位,细胞平均直径仅在5~200微米之间。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,也难以进行高通量、高内涵的药物筛选,严重制约了相关领域的发展。   

能不能像孙悟空一样拥有火眼金睛,直接看到细胞的代谢过程,并精确识别细胞内部代谢规律呢?有没有办法像用视频拍摄纪录片一样,通过成像的方法对氧化还原代谢进行实时追踪呢?   

针对这一技术难题,杨弋教授带领团队,围绕氧化还原分子识别、高性能荧光传感构型等化学子物学、光遗传学关键科学问题开展研究,发展了堪称“四大金刚”的系列高性能氧化还原代谢荧光探针——Frex、SoNar、iNap和FiNad。    

据杨弋介绍,与传统手段相比,系列高性能氧化还原代谢荧光探针优点非常明显:在体,即不需要将细胞取出到体外进行检测;动态,不但高分辨成像,而且把成像技术从“照片级”提升到“电影级”;空间上实现不同细胞、不同位置的成像与检测,时间上可以动态地追踪细胞从出生到死亡的过程。   

杨弋团队的研究,同样引起了国际同行的广泛关注。瑞士洛桑联邦高等理工学院教授A.Wiederkehr等撰文评价这些探针“将颠覆性改变生物氧化还原研究(Will revolutionize thestudy of redox biology)”“有力新工具 (Powerful new tools)”或“重大技术革新(Major innovation) ”。   

图片说明:NADH探针Frex与NAD+NADH比率高性能荧光探针SoNar


从一枝独秀到“四大金刚”

这一系列高性能氧化还原代谢荧光探针何以被国外同行称为“颠覆性的技术”?赞誉不是来自一蹴而就,而是团队不断超越自我、攀登科学高峰的接续努力。    

在细胞中,氧化还原代谢过程分别在不同亚细胞结构内进行,并对环境、自身各种信号进行动态应答。但传统的手段,很难对活细胞的代谢过程进行实时高分辨和高通量分析,也难以对细胞代谢进行动态定量的调控。   

2011年,杨弋团队利用蛋白质设计手段,巧妙地将细菌阻遏蛋白Rex与NADH结合后产生的构象变化与荧光蛋白的荧光变化偶联,发明了针对NADH的第一代遗传编码荧光探针Frex系列——Frex探针可以定位于不同的亚细胞结构,并精确测定各不同亚细胞结构内自由NADH分布水平,实时动态看到哺乳动物细胞内NADH相关氧化还原代谢情况,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。

图片说明:基于SoNar荧光探针的针对癌细胞代谢的高通量化合物筛选

但是,Frex探针存在荧光较弱的问题。针对这一难题,2015年,团队基于新的蛋白质构型设计,开发了可同时检测NAD+、NADH及其比率的第二代细胞代谢荧光探针SoNar。相较于Frex,SoNar更加优秀,具有高效折叠、动态范围大、荧光强度高等优点,能够察觉到癌细胞与正常细胞的微细代谢差异。

不仅如此,团队基于SoNar,在国际上首次建立了以遗传编码荧光探针为基础、针对代谢的高通量化合物筛选技术,从 5000个分子的化合物库中发现了一个显著改变细胞代谢的抗癌活性化合物 KP372-1,并鉴定出该化合物可杀灭癌细胞。实验证明,该药物在小鼠移植瘤模型上也具有很好的治疗效果,且对小鼠正常组织无毒性。  

图片说明:NADPH遗传编码荧光iNap系列

团队开发的第三代细胞代谢荧光探针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。   

2017年,在SoNar的基础上,团队又与中国科学技术大学刘海燕教授合作对底物结合蛋白进行理性设计和改造,进而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。利用iNap,团队精确测定了癌细胞内不同亚细胞结构中的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。

衰老是人类无法抗拒的自然规律,但团队开发的第四代遗传编码荧光探针FiNad,让人类有了减缓衰老的愿景。

2020年,团队经过大量筛选和优化,获得一个高响应、高灵敏、大动态范围检测NAD+代谢的遗传编码荧光探针FiNad,并在细菌、酵母、哺乳动物细胞、斑马鱼和活体小鼠水平建立了前沿NAD+成像新技术——在体NAD+水平的测定,可帮助预测机体衰老进程和搜寻上调NAD+水平的抗衰老药物。


用科技为人类健康赋能

“在生命科学领域首先要做的两件事情,一个是要有孙悟空的‘火眼金睛’,即能看到生命的本质是什么;另一个就是要有孙悟空的‘金箍棒’,即用合适的工具可以实现改变生命来达到治疗疾病的目的。”在“生命的色彩”主题报告中,杨弋如是说。

杨弋团队的“火眼金睛”,可不止“四大金刚”,还有蛋白质巯基氧化还原荧光探针的原位成像技术。

图片说明:蛋白质相邻巯基荧光探针NPE和VTAF

2006年,杨弋受m88邀请,回国担任药学院特聘教授,方向是研究细胞代谢监测调控生物技术,为药物发现与生物制造服务。长期以来,蛋白质的氧化还原状态只能通过电泳、免疫印迹等破坏性生物化学方法进行检测,难以获得活细胞内蛋白质氧化还原态的原位、动态信息。瞄准细胞内蛋白质氧化还原监测这一重大技术挑战,在钱旭红院士指导下,徐玉芳、朱维平、杨弋等教授合作发展了多种蛋白质巯基氧化还原荧光探针,可在原位甚至在活细胞内检测氧化还原信号转导对蛋白质巯基的影响,为后续的蛋白质巯基参与生物体内的氧化还原信号转导的分析及生物过程与生物制造技术的开发提供了新的研究工具与思路。项目所发展的蛋白质相邻巯基荧光探针,已经获得国内发明专利授权。南开大学席真教授撰文评论该技术是“活细胞内氧化还原调控的动态跟踪和定量检测的重要突破”。

做好基础研究,既要靠学科向纵深发展,更强调学科交叉融合。针对现代生命科学超时空分辨分析与控制、自动化与高通量 、大数据与大交叉等特点,2013年起,杨弋受学园委托筹建了光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心。中心依托学园生物工程、药学、化学、材料、信息、机械等优势学科,聚焦光遗传学与合成生物学前沿领域,以细胞功能监测与调控技术为核心科学问题,针对国家重大需求开展肿瘤、代谢性疾病的诊断治疗、药物发现与生物制造等应用前景的前沿工作。现在,该中心已建成了独立核心研究设施,装备了大量先进仪器组成的单细胞、高通量、超分辨的细胞代谢研究平台。中心将面向全国科学家开放,为我国细胞代谢相关的广泛生物医学领域的协同创新提供支撑。

如今,团队在细胞代谢监测与衰老即时诊断、光控技术与基因表达精密操纵、荧光RNA从概念到实用的突破等方面都取得累累硕果,累计在《自然-生物技术》《自然-生物方法学》《细胞代谢》《发育细胞》《细胞研究》等国际顶级刊物上发表论文10余篇。哈佛大学、斯坦福大学、剑桥大学、香港大学、北京大学等国内外一流研究机构的1000余个研究组,先后与团队联系,索要项目发展的各种探针材料,并进行跟踪应用。这些研究者的方向涵盖了广泛的生物医学领域,包括代谢、神经、发育、免疫、肿瘤、心血管、植物、发酵等,充分证明了团队成果的显著影响力。

科研探索挑战与魅力并存,面对充满奥秘的生命科学,杨弋、赵玉政等科学家就像是细胞代谢探测的“拓荒者”,用持续奋斗把荒芜变为枝繁叶茂,为人类健康注入“绿色”的科技力量。

发布时间:2021-11-18
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