突破性进展！新型荧光生物传感器PancACe助力细胞代谢研究

乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）是细胞代谢中的关键代谢物，参与多种细胞过程，包括能量代谢、脂肪酸合成和蛋白质乙酰化等。在哺乳动物细胞中，乙酰辅酶A的代谢高度区域化，不同细胞器中的乙酰辅酶A水平差异显著。然而，目前缺乏能够在活细胞中实时监测乙酰辅酶A水平的技术手段。传统方法如质谱分析和酶联免疫吸附测定（ELISA）虽然可以检测细胞裂解液中的乙酰辅酶A，但无法实现活细胞中的实时监测。

为了解决这一问题，美国犹他大学的研究团队开发了一种新型的荧光生物传感器PancACe，能够实时监测活细胞中乙酰辅酶A的水平。该传感器基于细菌蛋白PanZ和环状突变绿色荧光蛋白（cpGFP）构建。

研究内容

图 1 PancACe传感器

PanZ是一种天然的乙酰辅酶A结合蛋白，而cpGFP则用于提供荧光信号。通过将cpGFP插入PanZ蛋白的特定位置，研究人员成功构建了PancACe传感器。当乙酰辅酶A与PancACe结合时，cpGFP的荧光强度会显著增强，从而实现对乙酰辅酶A水平的实时监测。

图 2 从PanZ构建乙酰辅酶A生物传感器

研究人员通过筛选cpGFP在PanZ不同loop区域的插入位点，最终确定R69-E70插入位点表现最佳，并进一步优化连接子，得到性能优异的PancACe。

图 3 生物传感器PancACe的表征

如图3，在生化特性方面，PancACe与乙酰辅酶A结合时荧光显著增强，最大响应可达近2倍，且对乙酰辅酶A的亲和力比对辅酶A高很多，对丙酰辅酶A也有一定的选择性。这些特性使得它能在复杂的细胞环境中较为准确地识别乙酰辅酶A。

图 4 PancACe在HeLa细胞中的乙酰辅酶A测量

研究人员利用PancACe在大肠杆菌和人类细胞中展开实验。在大肠杆菌实验中，通过改变营养条件，如剥夺或重新提供葡萄糖、添加乙酸盐等，PancACe能实时监测到乙酰辅酶A水平的快速变化。

在人类HeLa细胞实验（图4）中，研究人员构建了稳定表达PancACe且定位于不同细胞区域（细胞质、细胞核、线粒体）的细胞系。实验结果表明，PancACe作为一种荧光生物传感器，能够特异性地检测HeLa细胞中不同细胞器的乙酰辅酶A水平变化。细胞质对葡萄糖和血清剥夺敏感，能迅速响应营养条件变化；细胞核对葡萄糖剥夺敏感，但对血清剥夺不敏感，暗示其代谢存在补偿机制；线粒体对营养条件变化相对不敏感，但在双重剥夺条件下乙酰辅酶A水平显著下降，表明其代谢依赖多种前体物质。恢复实验显示，PancACe能实时监测乙酰辅酶A水平变化，细胞在营养剥夺后能迅速恢复其合成。此外，支链氨基酸代谢对细胞质中乙酰辅酶A水平有重要贡献，但对细胞核和线粒体中乙酰辅酶A水平影响较小。

图 5 乙酰辅酶A在人类细胞中的区域化

此外，研究人员还通过敲低参与乙酰辅酶A代谢的相关蛋白（图5），深入探究了细胞内不同区域乙酰辅酶A的代谢调控机制，发现不同蛋白的敲低对各区域乙酰辅酶A水平有不同影响。

虽然PancACe目前存在一些局限性，如受pH影响、对乙酰辅酶A的敏感性和选择性有待提高等，但它已展现出在细胞代谢研究中的巨大潜力。未来，随着技术的不断优化，PancACe有望为代谢工程、疾病机制研究等领域带来更多突破，助力科学家更深入地理解生命过程中的代谢奥秘。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2025.01.002