监测细胞内氧化还原代谢状态的遗传编码荧光探针

原位、高时空分辨地检测细胞内氧化还原代谢状态是生命科学研究的一个瓶颈问题和迫切需求.然而,依赖细胞裂解、酶学、色谱、质谱等传统生化分析方法难以实时监测细胞内氧化还原代谢变化,更难以应用于高通量药物筛选.基于荧光蛋白的探针成像是近年来生命科学和医学领域迅速发展的一种分析检测技术.由于这些荧光探针实现了在活细胞内实时、动态地监测生物学过程,从而革命性地改变了生命科学研究.相对于化学小分子荧光探针,遗传编码的荧光蛋白探针在精确定位亚细胞结构、消除人为干扰以及活体应用方面,存在显著的优势.近年来,科学家针对细胞内重要的氧化还原代谢物,发明了多种多样的遗传编码荧光探针,实现了在单细胞、亚细胞甚至活体内对氧化还原代谢状态的特异性检测和成像,大大推动了相关研究领域的发展.本文将以细胞内两对关键的氧化还原代谢分子NADH/NAD~+和NADPH/NADP~+为例,重点介绍相关荧光探针的设计、性质、应用以及使用注意事项,以方便研究者更好地了解和使用相关技术.     

亚细胞区室氧化还原状态的调控及其对细胞的影响

细胞氧化还原状态(redox status)或氧化还原势能(redox potential)是细胞重要的生理指标之一,它的稳态影响细胞的功能活动和生命活动。氧化还原状态主要指细胞的活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平,受活性氧生成系统与清除系统共同调控,同时也能够对下游大分子、亚细胞区室及细胞增殖、分化和凋亡等产生影响。虽然对分子及细胞水平的氧化还原调控及其对细胞整体的影响研究相对较多,但对细胞器自身或亚细胞区室水平的关注不多,这些变化在细胞整体应激应答中的贡献也不清楚。该文简介细胞内主要的ROS生成系统与清除系统,并对目前各亚细胞区室的氧化还原状态及其调控的研究和认识进行主要综述,以期能够深入而全面地理解细胞的氧化还原调控及其影响。     

胰腺β细胞氧化还原状态对胰岛素加工与分泌的调控及其机制

胰腺β细胞的氧化还原异常不仅会引起β细胞凋亡,而且对胰岛素加工、分泌以及胰岛素抵抗也有重要的影响。近年来,国内外学者就胰腺β细胞氧化还原状态对胰岛素加工、分泌的影响及调控机制开展了大量的研究,取得了丰硕的成果,为2型糖尿病的防治提供了新思路和靶点。该文拟就胰岛素加工、分泌与细胞氧化还原状态的关系进行综述,以期进一步了解、认识2型糖尿病的发生和发展。     

综述: 细胞氧化还原调控与衰老

利用酵母、线虫、果蝇、小鼠等模式生物进行的研究表明,细胞的衰老过程与氧化还原紧密相关.伴随衰老,细胞内GSSG水平升高,GSH、NADPH等水平降低,而氧化还原状态变化将直接影响蛋白质的功能,特别是氧化还原敏感的含巯基蛋白质的功能,从而影响细胞信号转导和细胞命运.氧化还原失衡可能是衰老发生的重要因素.本综述将从氧化还原平衡与衰老、氧化还原调控与信号转导及衰老、氧化损伤与衰老等方面阐述细胞氧化还原调控与衰老研究的最新进展,提出并探讨氧化还原平衡的维持、氧化还原平衡的系统调控及氧化还原调控的个体化等延缓衰老及健康衰老的新策略.     

细胞氧化还原调控与衰老

利用酵母、线虫、果蝇、小鼠等模式生物进行的研究表明,细胞的衰老过程与氧化还原紧密相关.伴随衰老,细胞内GSSG水平升高,GSH、NADPH等水平降低,而氧化还原状态变化将直接影响蛋白质的功能,特别是氧化还原敏感的含巯基蛋白质的功能,从而影响细胞信号转导和细胞命运.氧化还原失衡可能是衰老发生的重要因素.本综述将从氧化还原平衡与衰老、氧化还原调控与信号转导及衰老、氧化损伤与衰老等方面阐述细胞氧化还原调控与衰老研究的最新进展,提出并探讨氧化还原平衡的维持、氧化还原平衡的系统调控及氧化还原调控的个体化等延缓衰老及健康衰老的新策略.     

谷氧还蛋白系统及其对细胞氧化还原态势的调控

细胞内氧化还原调控主要是由谷氧还蛋白系统和硫氧还蛋白系统完成。谷氧还蛋白属于硫氧还蛋白超家族,广泛分布在各种生物体内。作为一种巯基转移酶,它能够催化巯基．二硫键交换反应或者还原蛋白质谷胱甘肽二硫化物,以维持胞内的氧化还原态势。谷氧蛋白系统参与氧化胁迫、蛋白修饰、信号转导、细胞调亡和细胞分化等多种生物过程。对其体内作用靶蛋白的研究,有助于阐明谷氧还蛋白在整个细胞氧化还原网络的重要调控作用。     

氧化还原内稳态关键因子Nrf2对新陈代谢的调节作用

核转录因子红细胞系2-p45相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-p45 related factor 2,Nrf2)是调控细胞氧化还原稳态的重要转录因子。除了调节氧化应激反应外,近年来,Nrf2在代谢调节中的重要作用也备受关注。文章重点综述了Nrf2调控细胞的糖代谢、脂代谢、核酸代谢和氨基酸代谢的方式,并论述了Nrf2失调导致的多种代谢相关疾病,包括糖尿病、脂肪肝、帕金森氏症和肿瘤。最后,讨论了代谢压力介导的Nrf2活性改变与长寿、肿瘤防治及压力应激的关系。     

氧化还原内稳态关键因子Nrf2对新陈代谢的调节作用北大核心CSCD

核转录因子红细胞系2-p45相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-p45 related factor 2,Nrf2)是调控细胞氧化还原稳态的重要转录因子。除了调节氧化应激反应外,近年来,Nrf2在代谢调节中的重要作用也备受关注。文章重点综述了Nrf2调控细胞的糖代谢、脂代谢、核酸代谢和氨基酸代谢的方式,并论述了Nrf2失调导致的多种代谢相关疾病,包括糖尿病、脂肪肝、帕金森氏症和肿瘤。最后,讨论了代谢压力介导的Nrf2活性改变与长寿、肿瘤防治及压力应激的关系。     

硫氧化还原蛋白与细胞内的氧化还原调控

细胞内氧化还原状态直接影响细胞的生存、活化和增殖。硫氧化还原蛋白是一个具有氧化还原活性的小分子蛋白质,它和NADPH以及硫氧化还原蛋白还原酶一起协同作用,组成蛋白质的一个重要的还原体系。这个还原体系还与谷胱甘肽等共同控制细胞的氧化还原状态,对维持和调节细胞的氧化还原内环境有着重要的作用。而另一方面,细胞的氧化还原状态又可以通过对多种信号分子的作用直接影响细胞的多种生理功能。     

用于生物体内甲醛可视化检测的小分子荧光探针的研究进展

甲醛（FA）具有高反应活性和短的检测半衰期,广泛分布于生物体内和环境中。正常浓度范围的甲醛可以参与一碳循环,维持人体代谢稳态,而甲醛浓度的异常波动又会诱导机体病变,导致一系列疾病。实时测量甲醛在活细胞和组织中的浓度、持续时间和位置,对于破译甲醛的生理或病理功能、诊断和治疗甲醛诱发的疾病具有重要意义。有机小分子荧光探针具有灵敏度高、膜通透性好、实时原位分析、生物损伤小、操作方便等显著优势,是能够在时间和空间上实时监测细胞内甲醛浓度与分布的一种强大的非侵入性工具。近年来,一系列小分子荧光探针被开发出来用于生物体内甲醛的检测。本文将对这些用于生物体内甲醛可视化检测的荧光探针从识别机理（席夫碱反应、Aza-Cope重排）和荧光开启方式两方面进行阐述,并展望甲醛荧光探针的设计和研发方向。     

硫氧化还原蛋白与细胞内的氧化还原调控

细胞内氧化还原状态直接影响细胞的生存、活化和增殖。硫氧化还原蛋白是一个具有氧化还原活性的小分子蛋白质,它和ＮＡＤＰＨ以及硫氧化还原蛋白还原酶一起协同作用,组成蛋白质的一个重要的还原体系。这个还原体系还与谷胱甘肽等共同控制细胞的氧化还原状态,对维持和调节细胞的氧化还原内环境有着重要的作用。而另一方面,细胞的氧化还原状态又可以通过对多种信号分子的作用直接影响细胞的多种生理功能。     

细胞的氧化还原平衡调控及巯基修饰

生物大分子的功能受细胞氧化还原环境影响和调控,细胞内氧化还原平衡的维持对于细胞的正常生长至关重要,与多种生理和病理过程密切相关。现将细胞内氧化还原平衡体系、氧化还原调控的主要信号通路及生物学过程、活性氧及活性氮通过蛋白质巯基修饰发挥生物学功能的分子机制,尤其是巯基亚硝基化修饰机制,以及还原应激效应的最新研究予以综述。     

正交氧化还原体系及其应用

氧化还原反应是最常见的代谢反应类型之一,其中绝大部分通过辅因子依赖型氧化还原酶催化实现.由于辅因子广泛参与细胞内氧化还原反应及其他生物学过程,因代谢途径改造而扰动辅因子水平的生物学效应尚难以预测.设计构建基于人工辅因子的正交体系,是减少人工代谢途径与内源代谢网络相互干扰、降低系统复杂度、提高调控代谢网络有效性的新策略.本文探讨了正交氧化还原体系的构建方法,并结合实例说明其对提高能量传递特异性和人工代谢途径效率的重要意义.     

干旱与氧化胁迫对小麦根氧化还原状态和叶片ABA积累的影响

通过分析一氧化氮(nitric oxide,NO)、活性氧(reactive oxygen species,ROS)和干旱胁迫对小麦根氧化还原状态和叶片脱落酸(abscisic acid,ABA)积累的影响,探讨了干旱胁迫下NO和H2O2调节ABA合成的可能机制。结果表明:干旱胁迫处理初期小麦根还原型谷胱甘肽含量降低、抗氧化酶活性发生振荡变化,细胞氧化还原状态向氧化型转变。NO和H2O2能模拟干旱胁迫的作用使细胞状态向氧化型转变,还可以使小麦叶片ABA积累量上升。干旱胁迫下NO和H2O2对ABA合成的调节作用可能是通过调节细胞氧化还原状态进行。     

用罗丹明B实现微波辐照下细胞水平温度的实时测量

为了探讨用温度敏感性荧光探针罗丹明B(rhodamine B,Rho-B)测量微波辐照下细胞水平温度的方法,利用激光共聚焦显微镜和光纤测温仪测得的数据拟合出罗丹明B荧光探针荧光强度与温度的关系式,并利用该荧光探针对微波辐照过程中细胞水平的温度进行实时测量。结果显示,温度与荧光探针的荧光强度呈现较好的线性关系。利用拟合的温度-相对荧光强度关系式可得到升温过程(25~40℃)中细胞水平的准确温度,这为生物电磁实验中细胞水平的实时温度监测提供了一种较为便捷可行的方法。     

apoaequorin-egfp融合基因对烟草的遗传转化及其分子检测

用钙离子报告基因非侵入式监测细胞内源钙离子实时变化是目前比较常用的钙离子监测方法。而基于传统荧光共振能量转移原理(FRET)的荧光探针具有较高的量子产率,则是目前应用于细胞或亚细胞水平钙离子检测的重要备选实验方案之一。然而,供体荧光基团的激发过程却经常给最终成像过程带来强的背景和荧光信号光漂白等干扰。水母发光蛋白(Aequorin)能够在底物存在的情况下和3个Ca~(2+)结合,通过氧化还原反应产生一个波长为469 nm的蓝光光量子,借助这一反应中蓝光光量子的产率与细胞中游离Ca~(2+)浓度间存在精确定量关系,研究者可以准确测量细胞内的钙离子浓度动态变化情况。但是由于蓝光的波长短,存在易于被散射而难于被检测等问题,造成了目前直接使用水母发光蛋白检测细胞内Ca~(2+)动态时,实验效率较低。为了解决上述这些问题,我们构建了一种将apoaequorin-egfp基因融合表达的植物双元表达载体,然后通过农杆菌介导的遗传转化法将这个融合基因整合到烟草的基因组中,建立了一个基于生物发光共振能量转移技术(BRET)技术,较为高效的植物细胞内源钙离子动态检测系统。     

Nrf2抗氧化的分子调控机制

Nrf2是调控细胞氧化应激反应的重要转录因子,同时也是维持细胞内氧化还原稳态的中枢调节者。Nrf2通过诱导调控一系列抗氧化蛋白的组成型和诱导型表达,可以减轻活性氧和亲电体引起的细胞损伤,使细胞处于稳定状态,维持机体氧化还原动态平衡。本研究为了从分子层面深入探讨剖析Nrf2发挥抗氧化功能的作用机制,通过查找阅读大量相关文献并进行整理归纳,最终从Nrf2的结构与激活、Nrf2抗氧化功能以及Nrf2抗氧化的分子调控机制三个方面进行了概述分析。其中在对Nrf2抗氧化的分子调控机制的探讨部分,既探析了对Nrf2起激活作用的相关调节因子的作用机制,又分析了Nrf2被激活后对其下游多种抗氧化因子及谷胱甘肽氧化还原系统的诱导调控机制,以期较深入了解Nrf2抵抗机体氧化应激损伤作用及其抗氧化分子调控机制。     

线粒体动力学在细菌感染性疾病中的研究进展

线粒体是一种高度动态的细胞器,其分裂与融合的协调循环被称为“线粒体动力学”。线粒体动力学对于细胞代谢调控、免疫调控、氧化还原稳态及钙稳态维持等生物反应至关重要。细菌侵袭细胞后,通过调控宿主线粒体动力学以促进感染和自身增殖。现对线粒体动力学在细菌感染性疾病中的机制、作用及功能的研究进展作一概述。     

工业微生物中NADH的代谢调控

NADH是微生物代谢网络中的一种关键辅因子。调节微生物胞内NADH的形式与浓度是定向改变和优化微生物细胞代谢功能, 实现代谢流最大化、快速化地导向目标代谢产物的重要手段之一。以下在详尽总结了NADH生理功能的基础上, 从生化工程(添加外源电子受体、不同氧化还原态底物及NAD合成前体物, 调节培养环境和氧化还原电势)和代谢工程(过量表达NADH代谢相关酶、缺失NADH竞争途径及引入NADH外源代谢途径)两方面分析、归纳了NADH代谢调控策略, 进而凝练出调控NADH/NAD+比率调节微生物细胞代谢功能研究方面亟待解决的3个科学问题及可能的解决途径。     

代谢物生物传感器:微生物细胞工厂构建中的合成生物学工具

代谢物生物传感器作为重要的合成生物学工具,能够感应细胞内代谢物浓度的变化,转化为特定信号输出,在微生物细胞工厂的构建中显现出巨大的应用潜力。其主要组成部分通常包括生物识别元件和信号输出元件,前者来源于自然界中丰富的调控元件,如转录因子、核糖开关等,有着不同的响应机理,后者可以为荧光信号、生长优势、特定代谢通路的开闭等,取决于应用所需。着重介绍了近年来代谢物生物传感器在微生物细胞工厂构建中的应用实例,主要包括目标化合物菌株的高通量筛选、选择、胞内代谢动态调控和非遗传异质性选择,同时也着重讨论了代谢物生物传感器的性能对于应用的影响和在实际应用中可能面临的机遇与挑战。