Cell子刊 | 点亮精氨酸！华东理工大学赵玉政等开发了一系列高响应的“精氨酸传感器，揭示了精氨酸代谢在生理病理功能中的多样性！

硕博一线 · 公众号 · · 2024-10-17 20:24

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编者按

精氨酸是代谢功能最广泛的氨基酸之一，在多种生物和病理过程中起着关键作用；然而，对原位精氨酸动力学的敏感跟踪在技术上仍然具有挑战性。

2024年 10月15日，华东理工大学赵玉政、杨弋、上海交通大学 Fang Wei共同通讯在 Cell Metabolism （IF=27.7） 在线发表题为 “ Lighting up arginine metabolism reveals its functional diversity in physiology and pathology ” 的研究论文， 该研究 设计了高性能荧光生物传感器，标记为精氨酸敏感（STAR），以照亮细胞，小鼠和临床样品中的精氨酸代谢。

利用STAR，研究人员展示了不同氨基酸在调节细胞内和细胞外精氨酸水平中的作用。STAR能够监测巨噬细胞活化、吞噬、胞葬作用和衰老过程中的精氨酸波动，揭示细胞衰老取决于精氨酸的可用性。此外，基于STAR的简单快速检测显示，血清精氨酸水平随年龄的增长而升高，血清精氨酸水平升高是区分白癜风进展和严重程度的潜在指标。 总的来说，该研究为精氨酸的代谢和功能作用以及它在诊断和治疗应用中的潜力提供了重要的见解。

一个多世纪以来，精氨酸一直是基础和临床研究的重点，根据哺乳动物的发育阶段和健康状况，精氨酸被分为半必需氨基酸和条件必需氨基酸。除了在蛋白质合成中起作用外，精氨酸还可以代谢成尿素和鸟氨酸尿素是尿素循环的最终产物，维持体内氮的稳态，而鸟氨酸则用于产生谷氨酸、脯氨酸和多胺，这些都是细胞增殖和分化所必需的。精氨酸也被分解为瓜氨酸和一氧化氮，在生理上起着至关重要的作用。肌酸和胍丁氨酸是精氨酸代谢的两种最终产物，分别作为神经元和肌肉细胞的能量来源和内源性神经调节剂。

跟踪活细胞和体内精氨酸代谢的时空动态对传统的生化方法（如色谱法、质谱法和毛细管电泳）来说是一个挑战，这些方法需要细胞裂解。 相比之下，基因编码的荧光传感器适合于活细胞中代谢物的可视化，因为这些传感器是由细胞自身合成的，能够定位在特定的亚细胞区室中，并通过荧光成像实现定量和实时数据采集。

此前，研究人员开发了用于监测中心碳代谢的遗传编码荧光传感器，这为活细胞代谢研究带来了革命性的变化。这些传感器具有高特异性、高响应性和适当的亲和力，这是活细胞研究不可或缺的特性。尽管一些传感器已经报道了活细胞中精氨酸代谢的图像，这些传感器也对精氨酸类似物有反应，如谷氨酰胺、赖氨酸、组氨酸、瓜氨酸和鸟氨酸；因此，研究人员关心的是这些传感器在复杂的细胞环境中实际测量的是什么。此外，现有传感器的动态响应相当有限，这给测量细微的精氨酸代谢波动带来了挑战。

机理模式图（图源自 Cell Metabolism ）

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