Nature Communications:实现亚细胞分辨率的衣康酸浓度变化实时监测

衣康酸是由活化的巨噬细胞合成的具有抗炎作用的中间代谢产物。研究表明，顺乌头酸在代谢酶IRG1的催化下在线粒体中脱羧生成衣康酸，然后转运到细胞质中发挥调节作用。此前，中国科学院生物物理研究所李新建团队报道衣康酸可以诱导巨噬细胞溶酶体的生物合成，提高机体对细菌入侵的天然免疫力(分子细胞2022，PMID:35662396)。衣康酸作为细胞的内源性代谢产物，在宿主的天然免疫反应中起着重要作用。目前，衣康酸的定量检测依赖于液相色谱-质谱联用技术。这种方法需要细胞裂解，无法获得代谢物在细胞不同区域的浓度分布信息。为了促进衣康酸生物学功能的进一步研究，迫切需要发展一种具有时空分辨率的衣康酸浓度检测方法。

代谢分子与蛋白质的结合可以诱导蛋白质分子的构象变化。这种蛋白质分子与荧光蛋白相连，可以将蛋白质分子的构象变化信号转化为荧光信号并输出。利用这一原理，研究人员设计了代谢小分子结合蛋白，并开发了一种生物传感器，以监测目标代谢小分子浓度的变化。

在《自然-通讯》 (Nature Communications)上，李新建团队发表了一篇题为“一种用于在线检测活体大分子的细胞分辨率的基因编码荧光生物传感器”的研究论文。本研究开发了衣康酸基因编码荧光探针，实现了亚细胞分辨率下衣康酸浓度变化的实时监测。研究人员将细菌衣康酸结合域(IBD)与环状绿色荧光蛋白(cpGFP)融合表达，并在C端连接了人类着丝粒蛋白B(CENP-B)的二聚化域。由于IBD在融合蛋白的N端以二聚体的形式存在，融合蛋白通过前后端二聚化最终形成内部环化的分子。通过对连接肽的一系列序列优化，获得了一种在生理浓度范围内响应衣康酸浓度变化的生物受体，命名为BioITA。BioITA用于监测小鼠巨噬细胞内衣康酸浓度的动态曲线。发现LPS刺激后线粒体基质中衣康酸浓度比细胞质中衣康酸浓度增加早，线粒体基质和细胞质中衣康酸浓度峰值在LPS刺激后约12小时达到峰值。细胞质中衣康酸的峰值浓度(约1757 M)显著高于线粒体基质中的峰值浓度(约551 M)。该结果为进一步探索衣康酸的抗炎、抗菌等生物学功能提供了创新的工具支持。

BioITA作为二聚内环化分子，可以在亚细胞分辨率下实时监测衣康酸的浓度变化。