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谷氨酰胺是人體血漿和組織中最為豐富的氨基酸，其在細胞中參與諸多生物過程。谷氨酰胺水平異常導致的代謝失衡與多種疾病密切相關，例如肌肉萎縮、肝臟疾病及癌癥等；谷氨酰胺的高需求是許多癌癥的一個特點，之前的研究表明快速增殖的癌細胞很大程度上依賴谷氨酰胺來生存和增殖。此外，氨酰胺在細胞內的代謝途徑呈現出明顯的亞細胞分布差異。因此，實時監測和測量谷氨酰胺濃度變化對于深入了解谷氨酰胺代謝及治療相關疾病具有重要的意義。然而，傳統的生化檢測方法（如色譜法、質譜法等）難以實現活細胞和在體組織的實時、動態監測。因此，迫切需要一種能夠在活細胞、組織及動物體內實原位、實時、動態地監測和定量谷氨酰胺代謝變化的新技術。

針對上述瓶頸問題，北京大學王晶研究員團隊通過將熒光蛋白cpYFP與大腸桿菌的周質結合蛋白GlnBP融合，利用計算機輔助設計和蛋白分子定向進化技術，對谷氨酰胺熒光探針進行了開發和優化，開發了性能優異的基因編碼谷氨酰胺熒光傳感器（GlutaR）。GlutaR具有極佳的熒光穩定性、高響應和高靈敏性。隨后，該團隊通過引入信號肽與傳感器融合，構建了GlutaR的亞細胞定位變體，從而實現了對活細胞內不同亞細胞區室中（細胞質、線粒體和細胞核）的游離谷氨酰胺濃度的定量檢測。

此外，GlutaR可以快速實時監測細胞內谷氨酰胺含量的動態變化，例如由營養剝奪、藥理學（抑制劑處理）、遺傳學操作（基因敲低或過表達）引起的細胞谷氨酰胺含量的動態變化。GlutaR還實現了定量分析谷氨酰胺關鍵的合成酶（GS）和代謝酶（GLS）對不同亞細胞區室中谷氨酰胺含量的影響。最后，該團隊通過在I型糖尿病（T1DM）和II型糖尿病（T2DM）小鼠中利用GlutaR實現了小鼠的肌肉谷和肝組織內谷氨酰胺水平的實時監測。

綜上所述，本研究不僅開發了一種具有廣泛應用前景的谷氨酰胺代謝監測技術，還揭示了谷氨酰胺代謝在維持細胞營養穩態及疾病診斷中的多重功能，為生命現象解析、疾病機制研究等生命醫學領域提供了創新性的研究工具。

論文信息

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學的碩士研究生劉冰潔、博士生趙子杰和北京大學第三醫院基礎研究中心副研究員王鵬程。通訊作者為北京大學王晶研究員和郝敏副研究員。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202416608

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