精氨酸是氨基酸中的“多面手”，其代謝途徑復(fù)雜，可分解產(chǎn)生鳥氨酸、瓜氨酸、一氧化氮、精胺、亞精胺、肌酸等一系列重要體內(nèi)代謝物。精氨酸生理功能非常豐富，除了參與蛋白質(zhì)合成，還是氮平衡、尿素循環(huán)、血管舒張、免疫反應(yīng)、腫瘤發(fā)生等多種生理病理過程的調(diào)節(jié)因子【1-4】。然而，傳統(tǒng)的生化方法難以進行原位、實時、動態(tài)、在體的分析，因此，迫切需要建立一種能真正用于活細胞和在體精氨酸代謝監(jiān)測的新技術(shù)。
華東理工大學(xué)藥學(xué)院、生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室、上海市細胞代謝光遺傳學(xué)技術(shù)前沿科學(xué)研究基地趙玉政教授、楊弋教授以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院方偉副主任醫(yī)師合作在Cell Metabolism發(fā)表題為Lighting up arginine metabolism reveals its functional diversity in physiology and pathology的技術(shù)長文。該研究報道了一個高性能、遺傳編碼的精氨酸熒光探針“STAR”，成功實現(xiàn)了在單細胞及活體水平對精氨酸代謝的特異、靈敏地實時動態(tài)監(jiān)測，并系統(tǒng)研究了精氨酸在氨基酸交換轉(zhuǎn)運、巨噬細胞命運轉(zhuǎn)變、基質(zhì)細胞衰老調(diào)控及免疫疾病精準診斷中的重要作用，取得了代謝機理研究與前沿技術(shù)創(chuàng)新的雙重突破。
模式圖（Credit: Cell Metabolism）
遺傳編碼的熒光探針是解決活細胞與在體代謝監(jiān)測這一技術(shù)難題的神兵利器。聚焦活細胞代謝監(jiān)測這一國際前沿領(lǐng)域，研究團隊歷經(jīng)十幾年的攻關(guān)，已針對細胞內(nèi)核心輔酶類NADH、NAD+、NAD+/NADH和NADPH，糖代謝類的乳酸，以及氨基酸類的精氨酸等，研發(fā)系列高性能代謝熒光探針以及“高通量”、“全景式”、“跨尺度”的活細胞代謝監(jiān)測分析技術(shù)，系列研究成果發(fā)表在Cell Metabolism（2024；2023；2019；2015；2011）、Nature Methods（2017）、Nature Protocols（2024；2018；2016）、Nature Metabolism（2023；2021）、NSMB（2024a；2024b）、Dev Cell（2020）等學(xué)術(shù)期刊（圖1）。研究團隊基于智能設(shè)計和定向進化等策略，原創(chuàng)高特異、高響應(yīng)、超靈敏的精氨酸熒光探針STAR，照亮活細胞、組織、活體以及臨床樣本中的精氨酸代謝。
圖1：研發(fā)系列高性能遺傳編碼代謝物探針（Credit: Cell Metabolism）
STAR探針具有高度的特異性，不同Kd變體的親和力覆蓋了體內(nèi)外的精氨酸生理濃度范圍。利用STAR探針，研究團隊實現(xiàn)了在活細胞及活體中精氨酸代謝的實時動態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)繪制了精氨酸與其他氨基酸的交換轉(zhuǎn)運“導(dǎo)航圖”，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)外源氨基酸的攝入伴隨著細胞內(nèi)精氨酸的外排（圖2），提示精氨酸是維持細胞內(nèi)氨基酸穩(wěn)態(tài)平衡的關(guān)鍵因子。
圖2 活細胞與活體中精氨酸與其他氨基酸的交換轉(zhuǎn)運（Credit: Cell Metabolism）
精氨酸是重要的免疫調(diào)節(jié)分子。研究團隊通過將STAR探針應(yīng)用于原代巨噬細胞，系統(tǒng)展示了活細胞水平精氨酸在巨噬細胞極化、胞葬、衰老等命運轉(zhuǎn)變中的動態(tài)變化（圖3），揭示精氨酸在激活和效應(yīng)等不同階段具有豐富的功能，為深入研究相關(guān)的免疫調(diào)節(jié)作用和機制奠定了重要基礎(chǔ)。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)細胞衰老中精氨酸分解代謝增強，限制精氨酸則可有效緩解細胞衰老的部分表型，這些研究暗示精氨酸在衰老進程中扮演關(guān)鍵角色。
圖3 巨噬細胞及基質(zhì)細胞衰老中精氨酸代謝監(jiān)測（Credit: Cell Metabolism）
此外，STAR探針在臨床應(yīng)用方面也展現(xiàn)了巨大的潛力。研究團隊利用該探針開發(fā)了一種簡便快速的精氨酸檢測方法，能夠即時檢測人體血清中的精氨酸水平。有趣地發(fā)現(xiàn)在健康成年女性和男性群體中，血清精氨酸水平隨著年齡的增長而逐漸增加。此外，白癜風患者樣本分析數(shù)據(jù)表明血清精氨酸水平與白癜風的疾病活動性和嚴重程度密切相關(guān)。相較于穩(wěn)定期，進展期的白癜風患者血清中精氨酸水平顯著升高，而這一生物標志物有望用于白癜風的早期診斷和疾病進展監(jiān)測。
綜上，這項研究不僅提供創(chuàng)新性的代謝監(jiān)測技術(shù)，而且揭示精氨酸代謝在維持細胞營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)、免疫調(diào)控、細胞衰老及疾病診斷的多重作用，是該研究團隊從核心輔酶和糖代謝研究拓展到氨基酸代謝領(lǐng)域的又一力作。
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