王晶/郝敏团队开发一种高性能荧光生物传感器实现活体内谷氨酰胺动态的时空监测

　　

近日，北京大学药学院天然药物及仿生药物全国重点实验室王晶团队在学术期刊Angewandte Chemie International Edition发表了题为“GlutaR: A High-Performance Fluorescent Protein-Based Sensor for Spatiotemporal Monitoring of Glutamine Dynamics In Vivo” （GlutaR：一种高性能的基于荧光蛋白的传感器，用于体内谷氨酰胺动态的时空监测）的研究工作。

谷氨酰胺是人体血浆和组织中最为丰富的氨基酸，其在细胞中参与诸多生物过程，包括蛋白质合成、三羧酸循环、核苷酸和抗氧化物质的合成等。这些活动对于确保细胞物质的合成与能量代谢、维持氧化还原平衡及pH稳定性发挥着关键作用。谷氨酰胺水平异常导致的代谢失衡与多种疾病密切相关，例如肌肉萎缩、肝脏疾病及癌症等；谷氨酰胺的高需求是许多癌症的一个特点，之前的研究表明快速增殖的癌细胞很大程度上依赖谷氨酰胺来生存和增殖。此外，氨酰胺在细胞内的代谢途径呈现出明显的亚细胞分布差异。因此，实时监测和测量谷氨酰胺浓度变化对于深入了解谷氨酰胺代谢及治疗相关疾病具有重要的意义。然而，传统的生化检测方法（如色谱法、质谱法等）难以实现活细胞和在体组织的实时、动态监测。因此，迫切需要一种能够在活细胞、组织及动物体内实原位、实时、动态地监测和定量谷氨酰胺代谢变化的新技术。

针对上述瓶颈问题，北京大学王晶研究员团队通过将荧光蛋白cpYFP与大肠杆菌的周质结合蛋白GlnBP融合，经过定向进化和优化过程，成功开发高特异、高响应、超灵敏的谷氨酰胺荧光生物传感器GlutaR。GlutaR能够直接定量细胞和亚细胞区室内的游离谷氨酰胺含量，而且可以快速实时监测细胞内谷氨酰胺含量的动态变化，例如由营养剥夺、药理学（抑制剂处理）、遗传学操作（基因敲低或过表达）引起的细胞谷氨酰胺含量的动态变化。此外，GlutaR还实现了定量分析谷氨酰胺关键的合成酶（GS）和代谢酶（GLS）对不同亚细胞区室中谷氨酰胺含量的影响。最后，该团队通过在I型糖尿病（T1DM）和II型糖尿病（T2DM）小鼠中利用GlutaR实现了小鼠的肌肉谷和肝组织内谷氨酰胺水平的实时监测。

综上，该研究发展了具有广泛应用前景的谷氨酰胺代谢监测技术，揭示谷氨酰胺代谢在维持细胞营养稳态及疾病诊断的多重作用，为生命现象解析、疾病机制探索等生命医学领域提供了强有力的研究工具。

北京大学药学院王晶研究员和郝敏副研究员为本研究论文的共同通讯作者。北京大学药学院硕士研究生刘冰洁（2024年毕业）、博士生赵子杰和北京大学第三医院基础研究中心副研究员王鹏程为本文的共同第一作者。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等项目资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202416608

作者简介：

刘冰洁（左）、赵子杰（中）、王鹏程（右）

刘冰洁，北京大学药学院化学生物学系2021级硕士研究生，研究方向为基于可遗传编码荧光探针的生物成像技术开发。目前以第一作者或共同作者身份在Angew. Chem. Int. Ed. 等杂志上发表多篇学术论文。

赵子杰，北京大学药学院化学生物学系2022级博士生。研究方向为基于可遗传编码荧光探针的生物成像技术开发。目前以第一作者或共同作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.、Bioorg. Chem.、Signal. Transduct. Target. Ther.等杂志上发表多篇学术论文。

王鹏程，北京大学第三医院基础研究中心，副研究员。博士毕业于北京大学基础医学院生理与病生理学系（导师姜长涛教授）。以第一作者（含共同）在Cell Metab.、 Adv. Sci.、Acta Pharm. Sin. B.和Biosens. Bioelectron.发表多篇学术论文，主持一项国家自然科学青年基金和中国博士后创新人才支持计划。

郝敏，博士，北京大学药学院副研究员，王晶团队（co-PI）。长期致力于利用化学生物学方法研究小分子对生物大分子的调控机制和开发相应的基于遗传编码的生物荧光探针。至今以第一作者或通讯作者身份在Nat. Chem. Biol., Angew. Chem. Int. Ed., Commun. Biol.等国际重要学术期刊上发表多篇学术论文。

王晶，博士，北京大学药学院研究员、博士生导师、药学院化学生物学系副主任、天然药物及仿生药物全国重点实验室PI、北京大学国家生物医学成像科学中心PI（兼）。入选国家级人才计划青年项目。长期致力于开发高特异性、高灵敏度和高时空分辨率的化学生物学技术（化学标记、组学、探针和成像技术）实现细胞信号分子动态的精准检测和分子机制研究。至今以第一或通讯作者身份在Nat. Chem.、Nat. Biotechnol.、Nat. Protoc.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Biosens. Bioelectron.、ACS Sens.等国际重要学术期刊上发表多篇学术论文。目前担任中国药理学会分析药理学专业委员会委员和青年委员会常委。获得北京大学拜耳研究员奖、医学部青年科技奖等奖励。

天然药物及仿生药物全国重点实验室 供稿