我校90屆校友、華東理工大學(xué)楊弋教授團(tuán)隊(duì)十余年來(lái)致力于生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)新方法領(lǐng)域的研究，領(lǐng)銜的“活細(xì)胞氧化還原代謝精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法研究”項(xiàng)目，原創(chuàng)開(kāi)發(fā)了Frex、SoNar、iNap、FiNad系列遺傳編碼熒光探針，實(shí)現(xiàn)在單細(xì)胞和活體動(dòng)物水平對(duì)細(xì)胞代謝氧化態(tài)的高時(shí)空分辨檢測(cè)和成像，是前所未有的新方法和新工具，被國(guó)際同行稱(chēng)為“顛覆性技術(shù)”，全球已有1000多家實(shí)驗(yàn)室跟蹤應(yīng)用。該項(xiàng)目喜獲2020年教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
近日，華東理工大學(xué)及多家知名媒體進(jìn)行了報(bào)道。在此，為楊弋校友點(diǎn)贊！
系列遺傳編碼熒光探針“精準(zhǔn)追蹤”細(xì)胞代謝
——記教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“活細(xì)胞氧化還原代謝精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法研究”
代謝是生命的基本特征，各類(lèi)氧化還原反應(yīng)可為生命體提供能量與構(gòu)建模塊，是細(xì)胞代謝的核心。幾乎所有重大疾病都與代謝相關(guān)，如糖尿病、肥胖癥、衰老、腫瘤、神經(jīng)退行性疾病等。因此，對(duì)細(xì)胞氧化還原代謝進(jìn)行檢測(cè)與干預(yù)，將有助于探索生命活動(dòng)的規(guī)律，為疾病的診斷與治療提供有力的依據(jù)。
華理藥學(xué)院楊弋教授團(tuán)隊(duì)，十余年來(lái)致力于生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)新方法領(lǐng)域的研究，領(lǐng)銜的“活細(xì)胞氧化還原代謝精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法研究”項(xiàng)目，原創(chuàng)開(kāi)發(fā)了Frex、SoNar、iNap、FiNad系列遺傳編碼熒光探針，實(shí)現(xiàn)在單細(xì)胞和活體動(dòng)物水平對(duì)細(xì)胞代謝氧化態(tài)的高時(shí)空分辨檢測(cè)和成像，是前所未有的新方法和新工具，被國(guó)際同行稱(chēng)為“顛覆性技術(shù)”，全球已有1000多家實(shí)驗(yàn)室跟蹤應(yīng)用。日前，該項(xiàng)目喜獲2020年教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
圖片說(shuō)明：團(tuán)隊(duì)大家庭
十年磨劍攻關(guān)顛覆技術(shù)
從2006年加入華理組建課題組至今，楊弋始終帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于合成生物學(xué)與光遺傳學(xué)前沿領(lǐng)域的研究，項(xiàng)目的第二完成人趙玉政教授也從學(xué)生成長(zhǎng)為合作者，他們攜手發(fā)展的系列高性能氧化還原代謝熒光探針，既為氧化還原代謝相關(guān)的生命科學(xué)基礎(chǔ)研究提供創(chuàng)新工具，也可廣泛用于生物制造與藥物發(fā)現(xiàn)等應(yīng)用領(lǐng)域。
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH/NAD+)及其磷酸化形式(NADPH/NADP+)，是生物體內(nèi)兩對(duì)最重要的輔酶和核心代謝物，常被用作評(píng)價(jià)細(xì)胞代謝狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，與衰老及癌癥、糖尿病、肥胖癥、心腦血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。比如，癌細(xì)胞代謝的改變就是腫瘤發(fā)生與生長(zhǎng)的根本原因，通過(guò)控制癌細(xì)胞的異常代謝來(lái)殺傷、抑制癌細(xì)胞，或使之回到正常細(xì)胞，可有效抑制癌癥發(fā)生的進(jìn)程。
作為生命最小活動(dòng)單位，細(xì)胞平均直徑僅在5~200微米之間。長(zhǎng)久以來(lái)，細(xì)胞代謝的檢測(cè)主要依賴(lài)酶學(xué)、色譜、質(zhì)譜等，這些方法不僅破壞了細(xì)胞或生物體的完整性，也難以進(jìn)行高通量、高內(nèi)涵的藥物篩選，嚴(yán)重制約了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
能不能像孫悟空一樣擁有火眼金睛，直接看到細(xì)胞的代謝過(guò)程，并精確識(shí)別細(xì)胞內(nèi)部代謝規(guī)律呢?有沒(méi)有辦法像用視頻拍攝紀(jì)錄片一樣，通過(guò)成像的方法對(duì)氧化還原代謝進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤呢?
針對(duì)這一技術(shù)難題，楊弋教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，圍繞氧化還原分子識(shí)別、高性能熒光傳感構(gòu)型等化學(xué)生物學(xué)、光遺傳學(xué)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，發(fā)展了堪稱(chēng)“四大金剛”的系列高性能氧化還原代謝熒光探針——Frex、SoNar、iNap和FiNad。
據(jù)楊弋介紹，與傳統(tǒng)手段相比，系列高性能氧化還原代謝熒光探針優(yōu)點(diǎn)非常明顯：在體，即不需要將細(xì)胞取出到體外進(jìn)行檢測(cè);動(dòng)態(tài)，不但高分辨成像，而且把成像技術(shù)從“照片級(jí)”提升到“電影級(jí)”;空間上實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞、不同位置的成像與檢測(cè)，時(shí)間上可以動(dòng)態(tài)地追蹤細(xì)胞從出生到死亡的過(guò)程。
楊弋團(tuán)隊(duì)的研究，同樣引起了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學(xué)院教授A.Wiederkehr等撰文評(píng)價(jià)這些探針“將顛覆性改變生物氧化還原研究(Will revolutionize thestudy of redox biology)”“有力新工具 (Powerful new tools)”或“重大技術(shù)革新(Major innovation) ”。
圖片說(shuō)明：NADH探針Frex與NAD+NADH比率高性能熒光探針SoNar
從一枝獨(dú)秀到“四大金剛”
這一系列高性能氧化還原代謝熒光探針何以被國(guó)外同行稱(chēng)為“顛覆性的技術(shù)”?贊譽(yù)不是來(lái)自一蹴而就，而是團(tuán)隊(duì)不斷超越自我、攀登科學(xué)高峰的接續(xù)努力。
在細(xì)胞中，氧化還原代謝過(guò)程分別在不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行，并對(duì)環(huán)境、自身各種信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)答。但傳統(tǒng)的手段，很難對(duì)活細(xì)胞的代謝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)高分辨和高通量分析，也難以對(duì)細(xì)胞代謝進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量的調(diào)控。
2011年，楊弋團(tuán)隊(duì)利用蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)手段，巧妙地將細(xì)菌阻遏蛋白R(shí)ex與NADH結(jié)合后產(chǎn)生的構(gòu)象變化與熒光蛋白的熒光變化偶聯(lián)，發(fā)明了針對(duì)NADH的第一代遺傳編碼熒光探針Frex系列——Frex探針可以定位于不同的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并精確測(cè)定各不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)自由NADH分布水平，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)看到哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)NADH相關(guān)氧化還原代謝情況，實(shí)現(xiàn)了在活細(xì)胞及各種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中對(duì)NADH分子的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、特異性的檢測(cè)與成像。
圖片說(shuō)明：基于SoNar熒光探針的針對(duì)癌細(xì)胞代謝的高通量化合物篩選
但是，F(xiàn)rex探針存在熒光較弱的問(wèn)題。針對(duì)這一難題，2015年，團(tuán)隊(duì)基于新的蛋白質(zhì)構(gòu)型設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了可同時(shí)檢測(cè)NAD+、NADH及其比率的第二代細(xì)胞代謝熒光探針SoNar。相較于Frex，SoNar更加優(yōu)秀，具有高效折疊、動(dòng)態(tài)范圍大、熒光強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠察覺(jué)到癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的微細(xì)代謝差異。
不僅如此，團(tuán)隊(duì)基于SoNar，在國(guó)際上首次建立了以遺傳編碼熒光探針為基礎(chǔ)、針對(duì)代謝的高通量化合物篩選技術(shù)，從 5000個(gè)分子的化合物庫(kù)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著改變細(xì)胞代謝的抗癌活性化合物 KP372-1，并鑒定出該化合物可殺滅癌細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)證明，該藥物在小鼠移植瘤模型上也具有很好的治療效果，且對(duì)小鼠正常組織無(wú)毒性。
圖片說(shuō)明：NADPH遺傳編碼熒光iNap系列
團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的第三代細(xì)胞代謝熒光探針iNap，不僅可應(yīng)用于抗氧化、AMPK、脂肪酸合成等代謝途徑與通路分析，也可用于衰老及相關(guān)疾病創(chuàng)新藥物的發(fā)現(xiàn)。
2017年，在SoNar的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉海燕教授合作對(duì)底物結(jié)合蛋白進(jìn)行理性設(shè)計(jì)和改造，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了一系列特異性檢測(cè)NADPH的高性能遺傳編碼熒光探針iNap。利用iNap，團(tuán)隊(duì)精確測(cè)定了癌細(xì)胞內(nèi)不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的NADPH水平，發(fā)現(xiàn)其水平受NAD激酶和葡萄糖—6—磷酸脫氫酶G6PD活性調(diào)節(jié)，并進(jìn)一步證明氧化應(yīng)激時(shí)癌細(xì)胞內(nèi)NADPH代謝受葡萄糖水平的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
衰老是人類(lèi)無(wú)法抗拒的自然規(guī)律，但團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的第四代遺傳編碼熒光探針FiNad，讓人類(lèi)有了減緩衰老的愿景。
2020年，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量篩選和優(yōu)化，獲得一個(gè)高響應(yīng)、高靈敏、大動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)NAD+代謝的遺傳編碼熒光探針FiNad，并在細(xì)菌、酵母、哺乳動(dòng)物細(xì)胞、斑馬魚(yú)和活體小鼠水平建立了前沿NAD+成像新技術(shù)——在體NAD+水平的測(cè)定，可幫助預(yù)測(cè)機(jī)體衰老進(jìn)程和搜尋上調(diào)NAD+水平的抗衰老藥物。
用科技為人類(lèi)健康賦能
“在生命科學(xué)領(lǐng)域首先要做的兩件事情，一個(gè)是要有孫悟空的‘火眼金睛’，即能看到生命的本質(zhì)是什么;另一個(gè)就是要有孫悟空的‘金箍棒’，即用合適的工具可以實(shí)現(xiàn)改變生命來(lái)達(dá)到治療疾病的目的。”在“生命的色彩”主題報(bào)告中，楊弋如是說(shuō)。
楊弋團(tuán)隊(duì)的“火眼金睛”，可不止“四大金剛”，還有蛋白質(zhì)巰基氧化還原熒光探針的原位成像技術(shù)。
圖片說(shuō)明：蛋白質(zhì)相鄰巰基熒光探針NPE和VTAF
2006年，楊弋受華理邀請(qǐng)，回國(guó)擔(dān)任藥學(xué)院特聘教授，方向是研究細(xì)胞代謝監(jiān)測(cè)調(diào)控生物技術(shù)，為藥物發(fā)現(xiàn)與生物制造服務(wù)。長(zhǎng)期以來(lái)，蛋白質(zhì)的氧化還原狀態(tài)只能通過(guò)電泳、免疫印跡等破壞性生物化學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)，難以獲得活細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)氧化還原態(tài)的原位、動(dòng)態(tài)信息。瞄準(zhǔn)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)氧化還原監(jiān)測(cè)這一重大技術(shù)挑戰(zhàn)，在錢(qián)旭紅院士指導(dǎo)下，徐玉芳、朱維平、楊弋等教授合作發(fā)展了多種蛋白質(zhì)巰基氧化還原熒光探針，可在原位甚至在活細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)氧化還原信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)蛋白質(zhì)巰基的影響，為后續(xù)的蛋白質(zhì)巰基參與生物體內(nèi)的氧化還原信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分析及生物過(guò)程與生物制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了新的研究工具與思路。項(xiàng)目所發(fā)展的蛋白質(zhì)相鄰巰基熒光探針，已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。南開(kāi)大學(xué)席真教授撰文評(píng)論該技術(shù)是“活細(xì)胞內(nèi)氧化還原調(diào)控的動(dòng)態(tài)跟蹤和定量檢測(cè)的重要突破”。
做好基礎(chǔ)研究，既要靠學(xué)科向縱深發(fā)展，更強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉融合。針對(duì)現(xiàn)代生命科學(xué)超時(shí)空分辨分析與控制、自動(dòng)化與高通量 、大數(shù)據(jù)與大交叉等特點(diǎn)，2013年起，楊弋受學(xué)校委托籌建了光遺傳學(xué)與合成生物學(xué)交叉學(xué)科研究中心。中心依托學(xué)校生物工程、藥學(xué)、化學(xué)、材料、信息、機(jī)械等優(yōu)勢(shì)學(xué)科，聚焦光遺傳學(xué)與合成生物學(xué)前沿領(lǐng)域，以細(xì)胞功能監(jiān)測(cè)與調(diào)控技術(shù)為核心科學(xué)問(wèn)題，針對(duì)國(guó)家重大需求開(kāi)展腫瘤、代謝性疾病的診斷治療、藥物發(fā)現(xiàn)與生物制造等應(yīng)用前景的前沿工作。現(xiàn)在，該中心已建成了獨(dú)立核心研究設(shè)施，裝備了大量先進(jìn)儀器組成的單細(xì)胞、高通量、超分辨的細(xì)胞代謝研究平臺(tái)。中心將面向全國(guó)科學(xué)家開(kāi)放，為我國(guó)細(xì)胞代謝相關(guān)的廣泛生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新提供支撐。
如今，團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞代謝監(jiān)測(cè)與衰老即時(shí)診斷、光控技術(shù)與基因表達(dá)精密操縱、熒光RNA從概念到實(shí)用的突破等方面都取得累累碩果，累計(jì)在《自然-生物技術(shù)》《自然-生物方法學(xué)》《細(xì)胞代謝》《發(fā)育細(xì)胞》《細(xì)胞研究》等國(guó)際頂級(jí)刊物上發(fā)表論文10余篇。哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)、劍橋大學(xué)、香港大學(xué)、北京大學(xué)等國(guó)內(nèi)外一流研究機(jī)構(gòu)的1000余個(gè)研究組，先后與團(tuán)隊(duì)聯(lián)系，索要項(xiàng)目發(fā)展的各種探針材料，并進(jìn)行跟蹤應(yīng)用。這些研究者的方向涵蓋了廣泛的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括代謝、神經(jīng)、發(fā)育、免疫、腫瘤、心血管、植物、發(fā)酵等，充分證明了團(tuán)隊(duì)成果的顯著影響力。
科研探索挑戰(zhàn)與魅力并存，面對(duì)充滿奧秘的生命科學(xué)，楊弋、趙玉政等科學(xué)家就像是細(xì)胞代謝探測(cè)的“拓荒者”，用持續(xù)奮斗把荒蕪變?yōu)橹Ψ比~茂，為人類(lèi)健康注入“綠色”的科技力量。
來(lái)源：華東理工大學(xué)
編輯：羅凱
初審：汪秀兵
終審：陳忠新