文獻(xiàn)解讀：高性能基因編碼的乳酸探針的開發(fā)與應(yīng)用
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文獻(xiàn)精讀第40期
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乳酸最初被認(rèn)為是糖酵解產(chǎn)生的無用產(chǎn)物，然而現(xiàn)有的研究表明，乳酸不僅是一種代謝燃料，同時(shí)也是一種重要的信號分子。乳酸參與了組蛋白修飾、缺氧反應(yīng)、自噬、神經(jīng)活動、胚胎發(fā)育、衰老、免疫和癌癥代謝等多種生理和病理過程，在機(jī)體代謝過程中發(fā)揮了重要作用。在體內(nèi)，乳酸在不同亞細(xì)胞間室、細(xì)胞種類、組織和體液中呈現(xiàn)動態(tài)空間分布。因此，在體動態(tài)監(jiān)測乳酸的分布和變化情況，對于探討乳酸代謝的生物學(xué)意義至關(guān)重要。
2022年10月28日，華東理工大學(xué)藥學(xué)院趙玉政教授、楊弋教授聯(lián)合上海市第四人民醫(yī)院王從容教授在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Cell Metabolism發(fā)表題為“Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism inphysiology and disease”的論文，該文章展示了團(tuán)隊(duì)在乳酸監(jiān)測成像領(lǐng)域的最/新研究成果。為了在體監(jiān)測乳酸的時(shí)空動態(tài)變化，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一系列超靈敏、高響應(yīng)、基因編碼的乳酸熒光探針（命名為FiLa）。FiLa能夠?qū)罴?xì)胞、亞細(xì)胞以及小鼠體內(nèi)的乳酸代謝進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)追蹤。此外，F(xiàn)iLa還能夠?qū)θ说难搴湍蛞簶颖局械娜樗崴竭M(jìn)行快速分析。這些證據(jù)提示，F(xiàn)iLa在乳酸的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測和定量分析中的卓越性能，將為乳酸代謝相關(guān)的基礎(chǔ)和臨床研究提供極大助力。
目前，研究人員主要依靠酶循環(huán)測定法、色譜法或質(zhì)譜法等手段來測定細(xì)胞外或細(xì)胞裂解液中的乳酸。然而，這些方法不僅耗時(shí)、成本高，而且也難以確定乳酸的時(shí)空動力學(xué)特征。利用基因編碼的熒光探針可以很好的解決上述問題，但是現(xiàn)有的乳酸熒光探針存在諸多問題。比如，這些探針在體外和/或活細(xì)胞中具有相當(dāng)小的動態(tài)范圍、對鈣的反應(yīng)不理想、或者具有不適當(dāng)?shù)挠H和力，這些限制使得它們難以量化體外和體內(nèi)乳酸的細(xì)微波動。
在該研究中，作者開發(fā)了一系列基于“環(huán)化重排熒光蛋白”(circularly permuted fluorescent protein, cpFP）的超靈敏、高響應(yīng)性的基因編碼的乳酸熒光探針FiLa。FiLa家族在體外顯示出1500-2700%的熒光反應(yīng)，其靈敏度為目前所有乳酸探針中最高。并且FiLa對乳酸的選擇性高于其他相關(guān)代謝物，受到鈣的干擾小。此外，F(xiàn)iLa對乳酸有適當(dāng)?shù)挠H和力，在活細(xì)胞研究中，其解離常數(shù)為130mM，并且具有1000%的動態(tài)范圍，涵蓋了大多數(shù)乳酸的生理或病理濃度。值得注意的是，F(xiàn)iLa傳感器本質(zhì)上是比率傳感器，具有能夠定量、較少受成像偽影或探針表達(dá)程度影響的優(yōu)點(diǎn)，因此，F(xiàn)iLa滿足了接近理想分子探針的大部分要求。
圖1.高性能的基因編碼的乳酸熒光探針FiLa
隨后，作者展示了FiLa在研究中的應(yīng)用潛力。在活細(xì)胞中，利用FiLa，作者意外地發(fā)現(xiàn)乳酸在線粒體中高度富集。線粒體是否擁有乳酸庫和線粒體乳酸代謝一直是一個(gè)存在爭議的問題，因?yàn)闆]有令人信服的證據(jù)能夠可靠地確定乳酸在活細(xì)胞中的原位分布。FiLa提供了首/個(gè)視覺證據(jù)，證實(shí)了乳酸在不同細(xì)胞的線粒體中高度富集。并且，作者利用FiLa進(jìn)一步繪制了亞細(xì)胞的乳酸圖譜，亞細(xì)胞乳酸對各種代謝途徑的干擾反應(yīng)良好，這意味著亞細(xì)胞乳酸和細(xì)胞信號通路緊密交織，表明乳酸是感知各種代謝活動的關(guān)鍵樞紐。
圖2.利用FiLa觀察到乳酸在哺乳動物線粒體中高度富集
圖3.利用FiLa對糖尿病小鼠體內(nèi)乳酸水平成像
論文原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.10.002
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