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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

瀏覽次數(shù):2135 發(fā)布日期:2022-11-17  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
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文獻(xiàn)精讀第40期

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
 

此外,為了進(jìn)一步驗(yàn)證FiLa應(yīng)用能力,作者將FiLa應(yīng)用到活體小鼠以及臨床樣本的乳酸檢測中。乳酸與糖尿病的發(fā)生密切相關(guān),為此作者利用FiLa對糖尿病小鼠的乳酸水平進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果證實(shí),F(xiàn)iLa可以直接成像監(jiān)測糖尿病小鼠體內(nèi)乳酸水平的升高,表明FiLa是實(shí)時(shí)追蹤體內(nèi)乳酸代謝細(xì)微波動的有力工具。最后,作者還建立了基于FiLa探針的高通量臨床樣本即時(shí)檢測技術(shù),對不同類型糖尿病患者血液和尿液中的乳酸水平進(jìn)行了測定,發(fā)現(xiàn)母系遺傳性糖尿病伴耳聾(MIDD)患者尿液中乳酸水平升高,這一指征或可作為該疾病的潛在篩選標(biāo)志物,為臨床診斷提供依據(jù)。
 

圖3.利用FiLa對糖尿病小鼠體內(nèi)乳酸水平成像
 

總體而言,這項(xiàng)工作提供了一個(gè)用于乳酸檢測的高效工具,文章所展示的高性能基因編碼的乳酸熒光探針,解決了以往探針靈敏度低、受干擾嚴(yán)重以及親和力不恰當(dāng)?shù)戎T多問題。該探針能夠廣泛應(yīng)用于體內(nèi)外的乳酸代謝監(jiān)測,這將為未來乳酸代謝相關(guān)的分子信號研究和疾病機(jī)制探討提供強(qiáng)有力的工具。

論文原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.10.002
發(fā)布者:深圳市瑞沃德生命科技股份有限公司
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