Angew. Chem.：一种高性能基因编码的荧光传感器，用于谷氨酰胺动态的时空监测和定量

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。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，利用计算机辅助设计和蛋白分子定向进化技术，对谷氨酰胺荧光探针进行了开发和优化，开发了性能优异的基因编码谷氨酰胺荧光传感器（GlutaR）。GlutaR具有极佳的荧光稳定性、高响应和高灵敏性。随后，该团队通过引入信号肽与传感器融合，构建了GlutaR的亚细胞定位变体，从而实现了对活细胞内不同亚细胞区室中（细胞质、线粒体和细胞核）的游离谷氨酰胺浓度的定量检测。

此外，GlutaR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。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。

综上所述，本研究不仅开发了一种具有广泛应用前景的谷氨酰胺代谢监测技术，还揭示了谷氨酰胺代谢在维持细胞营养稳态及疾病诊断中的多重功能，为生命现象解析、疾病机制研究等生命医学领域提供了创新性的研究工具。

论文信息

GlutaR: A High-Performance Fluorescent Protein-Based Sensor for Spatiotemporal Monitoring of Glutamine Dynamics In Vivo

Bingjie Liu, Zijie Zhao, Pengcheng Wang, Kamiran Aihemaiti, Lixin Zhu, Qingpeng Wei, Wenzhe Li, Xia Yuan, Jing Wu, Changtao Jiang, Min Hao, Prof. Jing Wang

文章的第一作者是北京大学的硕士研究生刘冰洁、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。通讯作者为北京大学王晶研究员和郝敏副研究员。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202416608