华东理工大学等成功研发细胞代谢研究原创技术

华东理工大学药学院生物反应器工程国家重点实验室杨毅教授、赵教授和中国科技大学教授课题组共同开发了一系列高性能基因编码荧光探针iNap，专门检测细胞的核心代谢产物NADPH，实现了对生命、活体和各种亚细胞结构中NADPH代谢的高分辨率检测和成像。6月5日，相关研究成果以“长论文”的形式在国际权威学术期刊《自然方法》在线发表。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH/NAD+)及其磷酸化形式(NADPH/NADP+)是生物体中两种最重要的辅酶和核心代谢产物，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、神经退行性疾病等的发生发展密切相关。长期以来，细胞代谢的检测主要依靠酶学、色谱法、质谱法等。这些方法不仅破坏细胞或生物体的完整性，而且难以应用于高通量筛选。为了解决这一重要的科学问题，杨毅教授的团队于2011年利用合成生物学方法开发了一系列基因编码的NADH荧光探针，实现了对活细胞和各种亚细胞结构中NADH分子的实时动态、特异性检测和成像。2015年，该团队还报道了第二代细胞代谢荧光探针声纳，它可以同时检测NAD+、NADH及其比值。它像一只金色的眼睛，可以检测癌细胞与正常细胞之间的微代谢差异，进一步建立了单细胞细胞代谢荧光探针、活体动物成像和高通量药物筛选的系统研究方法。

NADH和NADPH的荧光光谱相似，但它们的生理功能明显不同。NADH主要参与物质能量代谢，而NADPH主要参与合成代谢和抗氧化。传统的自发荧光分析方法难以区分这两种小分子。在第二代NADPH荧光探针SoNar的基础上，研究团队开发了一系列高性能的基因编码荧光探针iNap，通过对底物结合蛋白的合理设计和修饰，特异性检测NADPH，实现对活体、活细胞和各种亚细胞结构中NADPH代谢的高分辨率检测和成像。利用iNap，研究小组精确地测量了癌细胞不同亚细胞结构中的NADPH水平，发现它们的水平受NAD激酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶G6PD活性的调节，并进一步证明癌细胞中的NADPH代谢受氧化应激期间葡萄糖水平的动态调节。同时，研究人员提出，哺乳动物细胞具有很强的维持生理NADPH稳态的能力。研究小组发现，人类内源性类固醇激素DHEA可以通过抑制G6PD活性和激活AMPK活性来实现NADPH代谢的双向调节。鉴于AMPK信号通路在衰老、糖尿病、肥胖症和癌症中的重要作用，该研究结果有望解释DHEA作为药物和膳食补充剂在这些疾病中的有益作用。此外，iNap还表明NADPH代谢与巨噬细胞免疫激活和机体创伤反应密切相关。NADPH作为一种细胞内还原力，在生理或病理条件下发挥着重要作用。细胞代谢荧光探针iNap不仅可用于分析代谢途径和途径，如抗氧化、AMPK、脂肪酸合成等。也可用于发现治疗衰老和相关疾病的创新药物。

据报道，论文的第一作者是华东理工大学博士生陶荣坤、中国科技大学博士生赵和楚。来文提交人是杨毅教授和刘海燕教授。