高性能探针“照亮”活细胞与在体精氨酸代谢

华东理工大学药学院、生物反应器工程国家重点实验室教授赵玉政、杨弋，上海交通大学医学院附属第九人民医院副主任医师方伟合作，报道了一个高性能、遗传编码的精氨酸荧光探针“STAR”，可在单细胞及水平实时动态监测精氨酸代谢过程，并系统研究了精氨酸在氨基酸交换转运、巨噬细胞运转变、基质细胞衰老调控及免疫疾病精准诊断中的重要作用。10月15日，相关研究发表于《细胞—代谢》。

精氨酸是氨基酸中的“多面手”，其代谢途径复杂，可分解产生多种重要体内代谢物。同时，精氨酸具有丰富的生理功能，除了参与蛋白质合成，还调节氮平衡、免疫反应、肿瘤发生等多种生理病理过程。

传统的生化方法难以进行原位、实时、动态、在体的分析，迫切需要建立一种能真正用于活细胞和在体精氨酸代谢监测的新技术。遗传编码的荧光探针是解决活细胞与在体代谢监测这一技术难题的“神兵利器”。

十几年间，研究团队研发了系列高性能代谢荧光探针以及“高通量”“全景式”“跨尺度”的活细胞代谢监测分析技术。其中，高特异、高响应、超灵敏的精氨酸荧光探针STAR，可“照亮”活细胞、组织、以及临床样本中的精氨酸代谢。

基于STAR，研究团队系统绘制了精氨酸与其他氨基酸的交换转运“导航图”，发现绝大多数外源氨基酸的摄入都伴随着细胞内精氨酸的外排，表明精氨酸是维持细胞内氨基酸稳态平衡的关键因子。

进一步地，研究团队将STAR探针应用于原代巨噬细胞，在活细胞水平系统展示了精氨酸在巨噬细胞极化、胞葬、衰老等命运转变中的动态变化，揭示精氨酸在激活和效应等不同阶段的功能。值得一提的是，基质细胞衰老过程中，精氨酸的分解代谢增强，限制精氨酸代谢则可有效缓解细胞衰老的部分表型，暗示精氨酸在细胞衰老进程中扮演着关键角色。

此外，研究团队利用STAR探针开发了一种简便快速的精氨酸检测方法，能够即时检测血清中的精氨酸水平。检测结果显示，健康成年女性和男性群体中，血清精氨酸水平随着年龄的增长而逐渐增加。此外，血清精氨酸水平与白癜风的疾病活动性和严重程度密切相关。相较于稳定期，进展期的白癜风患者血清中精氨酸水平显著升高，这一生物标志物有望用于白癜风的早期诊断和疾病进展监测。

研究图示。图片来源于《细胞—代谢》

相关论文信息：http://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.09.011