《Cell》:华东理工大学发现细胞与NAD+代谢检测成像新技术

  三月十九日,华东李东大学药学院生物反应器工程国家重点实验室,与杨弋教授合作,进行了光遗传学和合成生物学交叉学科的赵玉政教授,于DevelopmentalCell发表一篇题为”IlluminatingNAD+metabolisminlivecellsandinvivousingageneticallyencodedfluorescentsensor”的技术长文,报导一种NAD+代谢成像的新技术,实时动态跟踪细菌,哺乳动物细胞,斑马鱼,小鼠人尿干细胞和其它多种生物中的NAD+代谢水平。据介绍,这也是近五年来在国内出版的第一份《Technology Article》。

  NAD+是一种有机体中最重要的辅酶和核心代谢产物,是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。不但是广泛参与能量代谢的氧化还原反应,还是直接参与Sirtuins,PARP和CD38等重要酶的限制性底物对表观遗传修饰、基因组完整性及信号传导过程有一定的影响。近几年研究表明,NAD+水平常与机体衰老有关,而NAD+前体细胞的补充可以延缓衰老过程。结果表明,NAD+的检测对预测机体衰老过程及寻找调节NAD+水平的抗衰老药物具有重要意义。但是,传统的生化分析方法不能实现对体内NAD+含量的检测,是目前该领域亟待解决的重大技术难题。

DevelopmentalCell

  通过大量的筛选和优化,建立了一种高效、高灵敏度、大动态范围检测NAD+代谢的基因编码荧光探针FiNad,并建立了一种用于细菌、酵母菌、哺乳动物细胞、斑马鱼和活鼠体内NAD+成像新技术。NAD+的合成途径主要有烟酸(A)、烟酰胺(NAM)、烟酰胺(NMN)和烟酰胺核糖(NR)四种前体。这类NAD+前体蛋白被广泛应用于医药食品、美容保健等领域,近年来被广泛用于治疗高血脂症,NAM作为多种功能饮料及护肤产品中的添加剂,NMN和NR是热门的抗衰老新星。通过使用菲纳德,研究小组首次绘制了四种NAD+合成前体NA、NAM、NMN、NR在不同物种间调节NAD+代谢的可视化图谱,并用NAD+合成前体对细菌、哺乳动物细胞、斑马鱼以及小鼠进行选择性分析。结果表明,NMN和NR对哺乳动物NAD+水平有显著的促进作用,NAM对哺乳动物NAD+的作用较小,对细菌的影响较小。NMN和NR目前已经被许多研究用来延缓衰老及相关疾病,但是NAD+修复合成途径前体的NAM没有发挥什么作用,这意味着肠道微生物群落NAD+代谢可能与健康长寿有某种联系。有意思的是,FiNad发现斑马鱼在NAD+合成代谢系统中,发现斑马鱼与其它几种鱼类相比,有一套独特的合成途径。与NAM、NMN、NR相比,NA不能在多种生物体内提升NAD+,但是当抑制NAD+合成,NA介导的Preiss-Handler途径被激活以促进NAD+合成。对不同化合物进行筛选后发现二甲双胍能提高NAD+的胞内NAD+水平,这表明二甲双胍的多种神奇药效与提高NAD+水平有关,这将为探讨二甲双胍的作用机制提供新的思路。

  NAD+的代谢在巨噬细胞的激活过程中起着重要的作用,下调NAD+合成可以在一定程度上抑制巨噬细胞的酶解水平、炎症因子的释放和生物功能的发挥。为解释衰老过程中NAD+的代谢,研究小组首先从经典的复制性衰老细胞、端粒酶缺失早衰小鼠和自然衰老小鼠模型出发,首次用可视化的高清影像,直观地展示了NAD+水平的衰退。尿常规检查是一种医疗检查方法,人源尿液干细胞(hUSC)从尿样本中获得,可以部分地反映人体的代谢情况。实验中将FiNad探针导入不同年龄志愿者的hUSC细胞,发现NAD+水平随着年龄的增长而逐渐下降。本研究成果实现了衰老的无创性评价,使实验室技术与临床诊断之间无缝衔接,可望使科学研究成果迅速转化为大众医疗服务,从而制定个体化的健康诊疗策略。

  烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+/NADH)及其磷酸化形式NADP+/NADPH,是生物体中两种最重要的辅酶和核心代谢产物,参与多种生理、病理过程,并与许多疾病的发生发展密切相关。近年来,围绕细胞代谢检测的瓶颈问题,杨弋教授和赵玉政教授合作开发了NADH探针Frex,NAD+/NADH比率探测器SoNar,NADPH探针,iNap等原创性技术同时建立了“高通量”和“全视野”活细胞代谢监测分析方法,用于候选药物的快速筛选和临床样品的快速检测,发表于2011CellMetabolism,2015CellMetabolism系列作品,2016NatureProtocols,2017NatureMethods,2018年,NatureProtocols,2019CellMetabolism。在NAD+探针FiNad新成员的加入下,对细胞内辅酶Ⅰ、Ⅱ的“四大金刚”(Frex、SoNar、iNap和FiNad)进行了全面系统的检测。考虑到NAD+/NADH和NADP+/NADPH在细胞代谢中的核心作用,原位有机体的分布及代谢,实时动态定量检测与成像,不但能帮助人们更好地了解物质与能量代谢的调节机制和代谢网络,还能提供创新的工具,同时为临床样本的及时诊断和创新药物的筛选和发现提供重要技术支持,对人类生命健康具有重要意义。