Nature Protocols丨趙玉政/楊弋合作組報導氧化還原代謝成像新技術

責編丨迦漵

煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH/NAD+）、煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH/NADP+）、巰基/二硫鍵（-SH/-SS-）以及活性自由基（ROS），作為生物體內最主要的氧化還原代謝物，不僅參與了細胞代謝、信號轉導以及細胞生長、增殖、衰老和死亡等過程，也與衰老及相關疾病如癌症、糖尿病、肥胖症、心腦血管疾病等的發生髮展密切相關。然而，依賴於細胞裂解的傳統生化方法難以在活細胞、亞細胞以及活體水準原位實時追蹤代謝物變化，更難以應用於高通量的化合物或基因篩選，嚴重製約了相關領域的發展。

為了解決上述科學難題，2011年，華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室楊弋、趙玉政等利用合成生物學方法開發了一系列遺傳編碼的NADH熒光探針，實現了在活細胞及各種亞細胞結構中對NADH分子的實時動態、特異性的檢測與成像（Cell Metabolism, 2011, 14, 555）。2015年，他們又報導了可同時檢測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），並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主要參與物質能量代謝，而NADPH主要參與合成代謝以及抗氧化，傳統的自發熒光分析方法很難區分這兩種小分子。在第二代NADH熒光探針SoNar的基礎上，通過對底物結合蛋白的理性設計和改造，研究團隊又開發了一系列特異性檢測NADPH的高性能遺傳編碼熒光探針iNap，實現了在活體、活細胞及各種亞細胞結構中對NADPH代謝的高時空分辨檢測與成像（Nature Methods, 2017, 14, 720）。鑒於以上研究的重要性，Nature Methods雜誌在同期的「News And Views」專文高度評價「這些NADH/NADPH探針將革命性改變氧化還原生物學研究、喚醒科學家並照亮氧化還原生物學研究」（Nature Methods, 2017, 14,671）。

近日，Nature Protocols又以Analysis of redox landscapes and dynamics in living cells and in vivo using genetically encoded fluorescent sensors為題，在線報導了楊弋教授和趙玉政教授課題組合作的研究成果。利用多個遺傳編碼的熒光蛋白探針，研究團隊首次在單細胞和活體水準建立了氧化還原「全景式」實時動態分析技術，並應用於不同細胞器、細胞周期動態過程、巨噬細胞活化過程以及斑馬魚氧化還原狀態研究。

相比於在細胞或活體靶向單個氧化還原分子的生化或成像方法獲得的「零散」資訊，氧化還原「全景式」實時動態分析是一種更為全面系統、靈活有力的研究技術。這種技術可推廣到其他遺傳編碼的熒光探針，也可使用多種分析平台，如熒光顯微鏡，高內涵成像系統、流式細胞儀和酶標儀等。鑒於氧化還原在細胞代謝的中心作用及其在疾病診療中的重要性，對動物、細胞內氧化還原代謝狀態進行原位、實時動態的「全景式」檢測和成像，不僅為人們更好地理解物質與能量代謝的調節機制和代謝網路提供創新性的研究工具，也為衰老及相關疾病的診斷與創新藥物發現提供重要技術支撐，對人類生命健康具有重要意義。

圖1，單細胞氧化還原成像新技術。圖片引自：https://www.nature.com/articles/s41596-018-0042-5

圖2，細胞周期中氧化還原動態成像。圖片引自：https://www.nature.com/articles/s41596-018-0042-5

據悉，論文的主要完成人為博士研究生鄒葉君和王傲雪，趙玉政教授和楊弋教授為該論文的通訊作者，該研究也得到了暨南大學、哈佛大學醫學院科學家的協助。趙玉政教授是華東理工大學前沿科學研究院光遺傳學交叉學科研究中心的PI，教育部青年長江學者，國家優秀青年科學基金獲得者，上海青年科技英才，上海市青年拔尖人才, 上海市青少年科技創新「市長」獎獲得者。近幾年連續在Nature Methods、Cell Metabolism（2篇）、Nature Protocols（2篇）發表多篇高水準研究成果。

參考文獻

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3. Wiederkehr, A. & Demaurex, N. Illuminating redox biology using NADH- and NADPH-specific sensors. Nat Methods 14, 671-672 (2017).

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5. Zhao, Y. et al. SoNar, a highly responsive NAD+/NADH sensor, allows high-throughput metabolic screening of anti-tumor agents. Cell Metab 21, 777-789 (2015).

6. Zhao, Y. et al. Genetically encoded fluorescent sensors for intracellular NADH detection. Cell Metab 14, 555-566 (2011).

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