华东理工大学杨弋教授团队与中国科学技术大学刘海燕教授团队合作开发了系列高性能、特异性检测还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的高性能遗传编码荧光探针iNap，相关研究成果以“Genetically encoded fluorescent sensors reveal dynamic regulation of NADPH metabolism”为题，于2017年6月5日以研究长文的形式在线发表在Nature Methods，并于2017年7月28日正式刊出。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH/NAD+）及其磷酸化形式（NADPH/NADP+），是生物体内两对最重要的辅酶和核心代谢物。作为评价细胞代谢状态的关键指标，与衰老及相关疾病如癌症、糖尿病、肥胖症、心脑血管疾病、神经性退行性疾病等的发生发展密切相关。传统的细胞代谢研究方法依赖于酶分析、色谱、质谱等，这些方法在完整细胞或生物体代谢测定以及高通量筛选方面存在限制。为了解决这一重要科学难题，杨弋教授团队做出了系统的研究，在2011年，团队利用合成生物学方法开发了一系列遗传编码的NADH荧光探针，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）。2015年，该团队又报道了可同时检测NAD+，NADH及其比率的第二代细胞代谢荧光探针NADH氧化还原比率探针（SoNar），像火眼金睛一样，可察觉到癌细胞与正常细胞的微细代谢差异（Cell Metabolism, 2015, 21, 777）。并进一步建立了细胞代谢荧光探针在单细胞、活体动物成像及高通量药物筛选方面的系统研究方法（Nature Protocols, 2016, 11, 1345）。
NADH和NADPH结构相似，但生理功能显著不同。NADH主要参与物质能量代谢，而NADPH主要参与合成代谢以及抗氧化，但是由于二者相似的荧光光谱，自发荧光分析方法很难区分这两种小分子。研究团队在第二代NADH荧光探针SoNar的基础上，通过对底物结合蛋白的理性设计和改造，开发了一系列高性能遗传编码荧光探针iNap，特异性检测NADPH，实现了在活体、活细胞及各种亚细胞结构中对NADPH代谢的高时空分辨检测与成像（图1）。
图1 通过结构理性设计开发系列高性能NADPH探针iNap
该研究首次报道了癌细胞内不同亚细胞结构中游离的NADPH水平，发现了氧化应激时癌细胞内NADPH代谢受葡萄糖水平动态调节。研究团队也进一步发现人体内源性类固醇激素DHEA通过抑制G6PD活性和激活AMPK活性，对NADPH代谢实现双向调节作用（图2）。鉴于AMPK信号通路在衰老、糖尿病、肥胖症以及癌症中的重要角色，这一研究结果有望破解DHEA作为一种药物和膳食补充剂在这些疾病方面发挥出的有益作用。NADPH作为细胞内的还原力，在生理或病理条件下发挥重要角色。该研究报道的细胞代谢荧光探针iNap，不仅可应用于抗氧化、AMPK、脂肪酸合成等代谢途径与通路分析，也可用于衰老及相关疾病创新药物的发现。
图2 AMPK激活保护氧化应激诱导的NADPH氧化和细胞死亡
陶荣坤博士、赵玉政教授和初环宇博士为共同第一作者。华东理工大学杨弋教授和中国科学技术大学刘海燕教授为文章的共同通讯作者。该研究在国家自然科学基金重大研究计划、国家杰出青年科学基金项目和面上项目的资助下完成。
论文链接：https://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.4306.html
