天津医科大学Nature子刊凋亡检测新技术

　　

生物通报道  来自天津医科大学的李兵辉（Binghui Li）博士领导的科研小组，开发出了一种新型的遗传编码荧光生物传感器，证实在蛋白质裂解激活的条件下，这种传感器可用于检测细胞内的caspase-3活性。相关成果发表在7月16日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

凋亡（apoptosis）同细胞增殖、分化一样，是多细胞生命活动的基本特征之一，具有重要的生理意义。近年的研究表明，细胞凋亡不仅与许多正常的生理过程有关，而且细胞凋亡异常还是许多疾病产生的重要原因之一，如在肿瘤、免疫系统疾病/神经系统疾病及心血管系统疾病中，都已注意到存在异常的细胞凋亡。因此，细胞凋亡已成为近年生物学、细胞分子生物学及医学等领域研究的热点。相应地，其检测方法也日益完善。

Caspase家族在介导细胞凋亡的过程中起着非常重要的作用，其中 caspase-3 为关键的执行分子,它在凋亡信号传导的许多途径中发挥功能。Caspase-3正常以酶原（32KD）的形式存在于胞浆中，在凋亡的早期阶段，它被激活，活化的Caspase-3由两个大亚基（17KD）和两个小亚基（12KD）组成，裂解相应的胞浆胞核底物，最终导致细胞凋亡。而在细胞凋亡的晚期和死亡细胞中，caspase-3的活性明显下降。

为了方便监测多细胞环境中的caspase-3活性，研究人员开发出了一种遗传编码接通荧光生物学传感器（genetically encoded switch-on fluorescence-base indicator），这一传感器是一种环化的嵌合体，其中包含有一个caspase-3裂解位点作为开关。当遭到类caspase-3蛋白酶裂解时，这一传感器会发出荧光，由此可以实时监测这些caspases蛋白的活性情况。

研究人员构建出了组成性表达这些嵌合体的培养细胞，证实所有的健康细胞都不会发出荧光。而当将这些细胞暴露于凋亡刺激物之下时，死亡细胞显示出与caspase激活相关的强荧光。

利用这些工具，研究人员对各种条件下每个细胞中的caspase-3活性进行了实时监测，并第一次在改良的软琼脂克隆形成实验(soft agar assay)证实了，癌细胞的环境可以影响它们对于化疗药物的敏感性。这些生物传感器将帮助研究人员更好地了解类caspase-3蛋白酶的生物学意义。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Visualization of caspase-3-like activity in cells using a genetically encoded fluorescent biosensor activated by protein cleavage

Cytosolic caspase-3-like proteases, such as caspase-3 and caspase-7, have a central role in mediating the progress of apoptosis. Here to conveniently monitor caspase-3-like activity in the multicellular environment, we have developed genetically encoded switch-on fluorescence-base indicators that are cyclized chimeras containing a caspase-3 cleavage site as a switch. When cleaved by caspase-3-like proteases, the non-fluorescent indicator rapidly becomes fluorescent, and thus detects in real-time the activation of such caspases. We generate cultured cells constitutively expressing these chimeras, and all the healthy cells are non-fluorescent. When these cells are exposed to apoptotic stimuli, dead cells show strong fluorescence depending on caspase activation. With these tools, we monitor in real-time caspase-3-like activity in each cell under various conditions, and show for the first time that the environment of cancer cells affects their sensitivity to chemotherapeutic drugs in a modified soft agar assay. These biosensors should enable better understanding of the biological relevance of caspase-3-like proteases.