引言
精氨酸是氨基酸中的“多面手”，其代謝途徑複雜，可分解産生鳥氨酸、瓜氨酸、一氧化氮、精胺、亞精胺、肌酸等一系列重要體内代謝物。精氨酸生理功能非常豐富，除了參與蛋白質合成，還是氮平衡、尿素循環、血管舒張、免疫反應、惡性良性腫瘤發生等多種生理病理過程的調節因子【1-4】。然而，傳統的生化方法難以進行原位、實時、動态、在體的分析，是以，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測的新技術。2024年10月15日，華東理工大學藥學院、生物反應器工程國家重點實驗室、上海市細胞代謝光遺傳學技術前沿科學研究基地趙玉政教授、楊弋教授以及上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院方偉副主任醫師合作在Cell Metabolism發表題為Lighting up arginine metabolism reveals its functional diversity in physiology and pathology的技術長文。該研究報道了一個高性能、遺傳編碼的精氨酸熒光探針“STAR”，成功實作了在單細胞及活體水準對精氨酸代謝的特異、靈敏地實時動态監測，并系統研究了精氨酸在氨基酸交換轉運、巨噬細胞命運轉變、基質細胞衰老調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創新的雙重突破。
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測這一技術難題的神兵利器。聚焦活細胞代謝監測這一國際前沿領域，研究團隊曆經十幾年的攻關，已針對細胞核心心輔酶類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”的活細胞代謝監測分析技術，系列研究成果發表在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）等學術期刊（圖1）。研究團隊基于智能設計和定向進化等政策，原創高特異、高響應、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變體的親和力覆寫了體内外的精氨酸生理濃度範圍。利用STAR探針，研究團隊實作了在活細胞及活體中精氨酸代謝的實時動态監測，系統繪制了精氨酸與其他氨基酸的交換轉運“導航圖”，發現絕大多數外源氨基酸的攝入伴随着細胞内精氨酸的外排（圖2），提示精氨酸是維持細胞内氨基酸穩态平衡的關鍵因子。
圖2 活細胞與活體中精氨酸與其他氨基酸的交換轉運（Credit: Cell Metabolism）
精氨酸是重要的免疫調節分子。研究團隊通過将STAR探針應用于原代巨噬細胞，系統展示了活細胞水準精氨酸在巨噬細胞極化、胞葬、衰老等命運轉變中的動态變化（圖3），揭示精氨酸在激活和效應等不同階段具有豐富的功能，為深入研究相關的免疫調節作用和機制奠定了重要基礎。研究人員進一步發現，基質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程序中扮演關鍵角色。
圖3巨噬細胞及基質細胞衰老中精氨酸代謝監測（Credit: Cell Metabolism）
此外，STAR探針在臨床應用方面也展現了巨大的潛力。研究團隊利用該探針開發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準。有趣地發現在健康成年女性和男性群體中，血清精氨酸水準随着年齡的增長而逐漸增加。此外，白癜風患者樣本分析資料表明血清精氨酸水準與白癜風的疾病活動性和嚴重程度密切相關。相較于穩定期，進展期的白癜風患者血清中精氨酸水準顯著升高，而這一生物标志物有望用于白癜風的早期診斷和疾病進展監測。
綜上，這項研究不僅提供創新性的代謝監測技術，而且揭示精氨酸代謝在維持細胞營養穩态、免疫調控、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域的又一力作。
參考文獻
1. Geiger, R. et al. L-Arginine Modulates T Cell Metabolism and Enhances Survival and Anti-tumor Activity. Cell 167, 829-842 (2016).2. Mossmann, D. et al. Arginine reprograms metabolism in liver cancer via RBM39. Cell 186, 5068-5083 (2023).3. Yurdagul, A. Jr. et al. Macrophage Metabolism of Apoptotic Cell-Derived Arginine Promotes Continual Efferocytosis and Resolution of Injury. Cell Metab 31, 518-533 (2020).4. Poillet-Perez, L. et al. Autophagy maintains tumour growth through circulating arginine. Nature 563, 569-573 (2018).https://www.cell.com/cell-metabolism/abstract/S1550-4131(24)00375-9
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“BioArt”
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