代谢组学

Science:活细胞代谢成像新方法

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细胞S-腺苷甲硫氨酸成像图,随着每个时间点蛋氨酸(右下)的增加,荧光强度也增高

通过基因工程技术使得细胞表达一种经修饰(改造)过的RNA,又称Spinach,研究人员能对活细胞中的小分子代谢物进行成像,并观察它们随时间变化是如何改变的。每个细胞新陈代谢都会产生代谢产物。假如能得知产物生成效率的话,就能辨识如癌症状态下细胞代谢的异常或确定药物能否将细胞的代谢状况恢复到正常状态。

康奈尔大学威尔医学院的研究人员说发表在3月9日的《科学》杂志上的相关论文详细描述了这种先进的技术方法,这一技术将有可能彻底颠覆以往对代谢组学的认识,提供数千种细胞内代谢产物的动态变化的化学指纹图谱。

威尔康乃尔医学院药理学副教授Samie R. Jaffrey博士说:“动态观察到代谢产物的变化将为我们提供新的和强大的武器,方便我们了解代谢在疾病状态下是如何改变的,并帮助我们找到可以将它们恢复到正常水平的方法”。Jaffrey博士领导威尔康乃尔的其他三名研究人员共同完成了这项研究。

他说:“细胞的代谢水平调控着细胞诸多功能,也正因为如此,代谢水平的变化可以是细胞内在特定的时间内发生什么变化的写照”。

例如生物学家都知道,肿瘤细胞存在代谢异常,这些细胞对葡萄糖能源的利用存在异常并产生独特的代谢产物如乳酸,从而有不一样的新陈代谢过程。Jaffrey博士说:“能够看到这些代谢异常的话,就可以了解癌症的发生发展。但是到现在为止,测量活细胞中代谢产物一直非常困难。

Jaffrey博士和他的团队展开的科学研究表明:可以用特定的RNA序列来检测细胞中代谢产物的水平。这些RNAs是基于能在细胞发出绿色光的Spinach RNA设计的。Jaffrey博士研究小组修改Spinach的RNAs,使得它们一旦遇到它们专属绑定的代谢物时就关闭,造成Spinach荧光开启。他们设计出了RNA序列以追踪细胞中五个不同代谢产物包括二磷酸腺苷、细胞能量分子ATP和参与调节基因活性的甲基化过程的SAM(S-腺苷蛋氨酸)水平的变化。他说:“在此之前,一直没有人能够实时观察到细胞中代谢产物水平是如何变化的”。

Jaffrey博士说:“在活细胞中运用RNA传感器,研究人员能够测量单个细胞中的目标代谢产物水平随着时间的变化而发生的改变,你可以看到这些代谢物如何响应信号刺激或遗传变化进而发生动态变化的。你可以筛选出能使得这些基因异常发生正常化的药物,我们的一个主要目标是确定药物是否能使细胞的新陈代谢正常化。

新技术克服了现行的用绿色荧光蛋白(GFP)标记活细胞以充当传感器的缺点。如果将绿色荧光蛋白和其他发光蛋白质融合到能结合某种代谢物产物的自然存在的蛋白质中的话,绿色荧光蛋白和其他发光蛋白质就可以用来充当代谢感应器。但在某些情况下,代谢产物与自然存在的蛋白质结合方式会扭转蛋白质结构,进而影响已经融入到这些蛋白质中的荧光蛋白。另外,对于大多数的代谢产物,并没有可用来融合绿色荧光蛋白以制造传感器的蛋白质。

通过使用RNA作为代谢物传感器,这个问题引刃而解了。Jaffrey博士说:“关于RNA令人惊奇的是,你可以得到基本上你想要结合任何一种小分子代谢物的RNA序列。他们可以在几个星期就能生产出来”。然后,这些人造序列融合到Spinach中,并在细胞中以单链RNA的形式表达。

Jaffrey博士说:“这种做法能让你得到任何你想研究的小分子代谢物,以及这些小分子代谢物在细胞内的情况”,他和他的同事们将这一技术的运用范围扩大到能检测活细胞内的蛋白质和其他分子。

他补充说道:该技术可应用于多种疾病研究中。Jaffrey博士说:“我们非常有兴趣研究导致发育障碍如自闭症的大脑神经细胞内的代谢如何是变化的,有很多的机会能让这一新的工具发挥用处”。

这篇研究论文的合著者包括威尔康乃尔医学院药理系Jeremy S. Paige博士、Thinh Nguyen Duc博士、Wenjiao Song博士。

这项研究由美国国立卫生研究院的生物医学成像和生物研究所以及McKnight基金会资助。康奈尔科技企业和商业中心(CCTEC)已经代表康奈尔大学提出了这项技术的专利保护申请。Samie Jaffrey博士是Lucerna技术的创始人和科学顾问,并持有该公司股权。此外,Lucerna技术拥有上述描述技术的相关许可证。







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