关于细胞代谢荧光探针的新成果

　　2015年5月6日，《细胞代谢》期刊在线发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、华东理工大学杨弋课题组题为《SoNar, 一个高度响应的NAD+/NADH探针，允许抗肿瘤剂的高通量代谢筛选》的研究论文。该论文报告了可同时检测NAD，NADH及其比率的第二代的细胞代谢荧光探针SoNar，为神经细胞代谢研究提供了有力工具。

　　神经细胞代谢非常活跃，细胞代谢异常与多种神经疾病相关。然而细胞代谢的实时追踪是生命科学研究的一个瓶颈问题。传统的代谢研究方法如生化分析、质谱、核磁等难以在体、实时、高空间分辨地追踪细胞代谢物变化。有什么办法可以象孙悟空的火眼金睛一样，直接看到细胞的代谢过程呢?

　　NADH是表征细胞代谢失衡的最佳参数。2011年，杨弋团队报道了针对核心代谢物NADH的系列遗传编码荧光探针Frex，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(Cell Metabolism 2011, 14, 555;Methods in Enzymology 2014, 542, 349;Current Opinion in Biotechnology 2015, 31, 86)。2015年5月，该团队又报道了可同时检测NAD，NADH及其比率的第二代的细胞代谢荧光探针SoNar(Cell Metabolism 2015, 21, 777)。SoNar基于合成生物学方法构建，具有高灵敏度、高亮度和巨大动态范围，可真正实现在单细胞和活体动物水平对细胞代谢状态的高时空分辨检测和成像。利用SoNar，该团队进行了针对细胞代谢的首次活细胞水平高通量化合物筛选，鉴定了几百个调节细胞代谢活性的化合物，其中化合物KP372-1可在低浓度下广泛杀伤不同人体组织来源的癌细胞。利用代谢组学、化学和遗传学筛选等技术，最终鉴定了KP372-1是一种结构新颖的氧化还原循环底物，在癌细胞中特异表达的NQO1酶催化下产生极度氧化应激，进而杀灭癌细胞。该化合物比目前已进入临床II期NQO1依赖的经典抗癌化合物β-拉帕醌(β-lapachone)具有更高的口服利用度、更长的药物作用半衰期和更低的药效浓度。

　　这项研究建立的SoNar探针可以广泛应用于神经细胞代谢相关的活细胞与活体实时监测，为人们更好地了解物质与能量代谢的调节机制提供重要的创新工具与手段。此外，具有自有知识产权的药物筛选技术将为药物发现提供新的技术平台和依据，对于我国药物研发的自主创新和广大人民生命健康具有重大意义。

　　参与该项研究工作的还有清华大学浙江长三角研究院、上海交通大学医学院及哈佛大学医学院的科学家。该项研究受“973”计划、国家自然科学基金、上海市科委项目、上海市“曙光”计划、“111”计划、生物反应器工程国家重点实验室基金、教育部基本科研业务费、高等学校博士学科点专项科研基金等经费资助。

　　图注：细胞代谢荧光探针与药物筛选。SoNar是基于新结构设计的第二代细胞代谢遗传编码荧光探针，利用该探针进行高通量药物筛选，可获得调控细胞代谢的活性化合物。