FBP1

引言在现代孕期医学研究中，妊娠糖尿病（Gestational Diabetes Mellitus, GDM）和胰岛素抵抗（insulin resistance）是两个关键问题，影响全球数百万孕妇的健康。GDM不仅会对母亲产生长期的健康影响，还可能影响到下一代。随着医学界对孕期代谢病理的认识加深，越来越多的研究集中于探索胎盘功能与孕期代谢疾病之间的联系。胰岛素样生长因子结合蛋白1（Insulin-like Growth Factor Binding Protein 1, IGFBP1）是一种主要由肝脏产生并分泌到血液中的蛋白质，它在调节胰岛素样生长因子（Insulin-like Growth Factor, IGF）的活性中起着关键作用。早期研究表明，IGFBP1与胰岛素敏感性存在关联，但其在妊娠过程中的具体作用及机制尚不明确。4月16日发表于Nature Medicine的研究“Placental IGFBP1 levels during early pregnancy and the risk of insulin resistance and gestational diabetes”通过多个国际合作的孕期队列，以及严格的实验设计和广泛的数据收集，旨在深入探讨胎盘中IGFBP1的表达如何影响孕早期至孕晚期的胰岛素敏感性及其对GDM的潜在影响。研究采用了高通量RNA测序（RNA-seq）技术，定量分析了胎盘组织中IGFBP1的表达，并与母体血浆中的IGFBP1水平进行了对比。研究结果显示，高水平的胎盘IGFBP1表达与孕期较高的胰岛素敏感性相关联，并可能通过这一机制降低GDM的风险。此外，通过分析包括基因3G（Gen3G）、孕期胰岛素与葡萄糖调节研究（Study of Pregnancy Regulation of Insulin and Glucose, SPRING）和麻省总医院妇产科研究（Massachusetts General Hospital Obstetrical Maternal Study, MOMS）在内的三个独立孕期队列，进一步验证了这一发现。该研究的意义在于，它不仅揭示了IGFBP1在调控孕期胰岛素敏感性和预防GDM中的潜在作用，而且提供了针对孕期代谢健康进行早期干预的新思路。随着对IGFBP1功能更深入的了解，未来可能开发出新的预防和治疗GDM的策略，从而改善孕妇及其后代的健康状况Highlights胎盘IGFBP1的表达与胰岛素敏感性（Insulin Sensitivity）的关联该研究通过高通量的RNA测序（RNA-seq）技术详细分析了胎盘组织中的IGFBP1（Insulin-like Growth Factor Binding Protein 1）表达情况。研究发现，胎盘IGFBP1的高表达水平与孕期较高的胰岛素敏感性密切相关。这一发现为胎盘功能在调节孕期胰岛素敏感性中的作用提供了新的视角。跨队列的验证与统一结果研究团队不仅在Gen3G队列中观察到上述现象，还在孕期胰岛素与葡萄糖调节研究（Study of Pregnancy Regulation of Insulin and Glucose, SPRING）和麻省总医院妇产科研究（Massachusetts General Hospital Obstetrical Maternal Study, MOMS）这两个独立的队列中复现了这一结果。这种跨队列的统一结果增强了研究发现的可靠性和普适性。预测妊娠糖尿病（Gestational Diabetes Mellitus, GDM）的潜力通过早期孕期（early pregnancy）的IGFBP1测定，研究展示了其在预测GDM风险方面的潜力。在进行了多变量调整后，早期孕期IGFBP1水平较高的孕妇GDM风险显著降低，预示着通过血液标志物早期预测GDM的可能性。临床与公共健康意义该研究不仅提高了我们对妊娠期间胎盘功能和代谢疾病之间关系的理解，还可能对公共健康策略产生影响。通过早期识别高风险群体，可以实施早期干预措施，以减少GDM的发生率及其对母婴健康的影响。Strategies该研究通过对人胎盘组织进行全基因组转录组学分析（genome-wide transcriptomic analysis），旨在探索胎盘特定转录本与妊娠期胰岛素敏感性之间的关联。研究中收集了434份人类胎盘样本，使用RNA测序（RNA sequencing）技术进行了基因表达的定量分析。首先，研究团队在孕早期（平均孕周约9周）对参与者进行了入组，并在孕中期（平均孕周约26周）进行了口服葡萄糖耐量测试（75g oral glucose tolerance test, 75g-OGTT），以评估胰岛素敏感性。胰岛素敏感性通过Matsuda指数（Matsuda index）来估算，该指数已在妊娠期被验证与等渗葡萄糖技术（euglycemic clamp）有较好的一致性。在数据处理和质量控制（quality control, QC）之后，研究分析了胎盘RNA表达数据中15,202个基因的差异表达情况，以探索这些表达量与Matsuda指数的关系。通过多变量线性回归模型，考虑了技术、精确变量（如分娩时的孕周、胎儿性别）以及潜在的混杂因素（如孕次、母亲年龄及体重指数），筛选出与胰岛素敏感性相关的转录本。此外，研究还测量了这些孕妇血浆中胰岛素样生长因子结合蛋白1（IGFBP1）的蛋白水平，并探讨了其与胎盘IGFBP1基因表达之间的关联。IGFBP1是一种主要由肝脏产生的结合蛋白，在妊娠期外通常与胰岛素抵抗和2型糖尿病（type 2 diabetes, T2D）的风险相关。研究结果表明，较高的循环IGFBP1水平与更高的胰岛素敏感性相关，这一发现在三个不同的妊娠队列中均得到了验证。研究揭示了胎盘特定基因在妊娠期胰岛素敏感性变化中可能扮演的角色，为早期识别孕期糖尿病风险和开发新的治疗策略提供了潜在的生物标志物和靶点Behind the Scenes妊娠糖尿病（Gestational Diabetes Mellitus, GDM）妊娠糖尿病是指在妊娠期间首次发现或诊断的不同程度的糖耐量受损。这种情况通常在妊娠晚期被检测出来，尤其是在孕24至28周进行口服葡萄糖耐量测试（Oral Glucose Tolerance Test, OGTT）时。全球流行情况据国际糖尿病联合会（International Diabetes Federation, IDF）的数据显示，妊娠糖尿病的全球发病率大约为7%到13%，这个比例在不同国家和地区、不同种族中存在明显差异。例如，在东南亚和太平洋地区的发病率较高，而欧洲和北美地区相对较低。妊娠糖尿病的发生不仅与遗传、环境和生活方式因素有关，也与孕妇的年龄、体重和家族糖尿病史等因素密切相关。对母婴健康的影响妊娠糖尿病对母亲和婴儿都可能造成一系列的健康风险。对母亲而言，妊娠糖尿病会增加妊娠期高血压（gestational hypertension）、子痫前期（preeclampsia）、难产等风险，并可能在生育后发展成2型糖尿病（Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM）。对于新生儿，他们可能会有出生时体重过大（macrosomia）、新生儿低血糖（neonatal hypoglycemia）、黄疸和呼吸困难等问题，长期来看，这些婴儿将来患糖尿病和肥胖的风险也相对较高。胎盘在妊娠糖尿病中的作用胎盘是妊娠中的关键器官，负责营养和氧气的交换，同时也是多种激素和生物活性物质的生产中心。这些物质对母体的代谢状态和胎儿的发展至关重要。在妊娠期间，胎盘通过分泌激素如人绒毛膜促性腺激素 (Human Chorionic Gonadotropin, hCG)、人胎盘乳腺素 (Human Placental Lactogen, hPL) 和胎盘生长激素 (Placental Growth Hormone, GH) 来引起显著的胰岛素抗性变化。尽管这些激素是妊娠期胰岛素抗性的传统指责者，但研究显示它们与胰岛素敏感性的相关性较差。IGFBP1在妊娠之外的人体生理功能调节胰岛素敏感性和糖尿病风险（Regulation of Insulin Sensitivity and Diabetes Risk）在妊娠之外的情况下，胰岛素样生长因子结合蛋白1（IGFBP1）主要由肝脏产生，并在调节胰岛素敏感性方面发挥重要作用。研究显示，IGFBP1的低水平与胰岛素抵抗紧密相关，并且是2型糖尿病（Type 2 Diabetes, T2D）风险的一个预测因子。例如，Hagström 等人的研究表明，IGFBP1与先进的肝纤维化有关，而这种纤维化常常与胰岛素抵抗有关。胰岛素调控（Insulin Regulation）IGFBP1的表达受到胰岛素的负向调控。即在胰岛素水平上升时，IGFBP1的表达会被抑制。这一调控机制在肝脏细胞中有较多研究。胰岛素通过抑制IGFBP1基因的转录来减少其表达，这种机制反映了IGFBP1与胰岛素敏感性间的复杂交互作用。与代谢和生长调节的关联（Association with Metabolic and Growth Regulation）IGFBP1不仅调节胰岛素敏感性，还通过与胰岛素样生长因子（Insulin-like Growth Factors, IGFs）结合，参与调控身体的生长和代谢。IGFBP1能够与IGF-1和IGF-2结合，这两种生长因子在体内的生长和代谢过程中起关键作用。根据Bae等人的研究，IGFBP1能够通过增强或抑制IGF的活性来调节其生物效应，具体效应取决于生理环境。潜在的不依赖IGF的作用（Potential IGF-Independent Actions）除了作为IGF的结合蛋白外，IGFBP1还可能有不依赖IGF的生理作用。研究表明，IGFBP1能够直接激活与胰岛素信号传导相关的PI3K/AKT信号通路，这表明其可能在糖尿病和其他代谢性疾病的治疗中具有潜在的应用价值。例如，对小鼠的研究发现，注射活性的IGFBP1肽段能改善因饮食引起的肥胖小鼠的胰岛素敏感性。妊娠期间IGFBP1水平的变化妊娠早期至中期IGFBP1水平的变化：研究显示，在妊娠早期，IGFBP1（胰岛素样生长因子结合蛋白1）的水平较低，预示着随后妊娠糖尿病（GDM）的风险。例如，在Gen3G队列中，孕早期（第一孕期）的IGFBP1中位数为66,610 pg/ml，而在孕24至32周时，该水平上升至79,379 pg/ml。这种增长表明IGFBP1可能主要由胎盘产生，并在妊娠期间有重要的内分泌功能。妊娠晚期IGFBP1水平的变化：然而，妊娠晚期（产后立即）IGFBP1的水平急剧下降，例如，在产后第一孕期的中位数水平下降至16,588 pg/ml。这种显著的下降可能反映了胎盘产生的IGFBP1的减少以及妊娠状态的改变。妊娠背景下IGFBP1的特定作用胎盘表达与胰岛素敏感性（Insulin Sensitivity）：在胎盘中，IGFBP1的表达与妊娠期间的胰岛素敏感性显著相关。研究发现胎盘中IGFBP1基因的表达水平与胰岛素敏感性正相关（β = 0.43; P = 2.5 × 10^-5）。这表明IGFBP1可能通过调节胎盘的胰岛素样生长因子活性来影响母体的代谢状态。IGFBP1与妊娠糖尿病的关联：妊娠早期的IGFBP1水平低下与后期GDM的风险增加有关。例如，在Gen3G队列中，早孕期IGFBP1水平的每增加一个标准差，GDM的风险降低超过50%（OR = 0.44; IQR = 0.30–0.64; P < 0.001）。这强调了监测妊娠早期IGFBP1水平对预防GDM的可能重要性。与胰岛素抵抗型GDM的相关性：在不同生理亚型的GDM中，胰岛素抵抗型GDM（Insulin-resistant GDM）在妊娠第二孕期的IGFBP1水平升高较为迟缓，而在胰岛素缺乏型GDM（Insulin-deficient GDM）中，IGFBP1的水平与正常耐糖量（NGT）组相似。这表明IGFBP1在不同类型的GDM中可能有不同的生理作用路径。早孕IGFBP1水平与GDM诊断的预测能力研究显示，仅使用临床变量（如孕妇年龄、孕次等）对妊娠糖尿病的诊断预测的受试者工作特征曲线下面积（Receiver Operating Characteristic Area Under the Curve, ROC AUC）为0.66。当在模型中加入早孕IGFBP1水平后，预测能力提高到ROC AUC=0.72（P=0.008），说明IGFBP1水平对妊娠糖尿病的预测具有重要价值。IGFBP1缺失与妊娠糖尿病发病机制研究指出，胎盘IGFBP1的缺失可能是GDM发病机制的一部分。IGFBP1在非妊娠状态下主要由肝脏表达，并且其产生受到胰岛素的调控。在妊娠期间，IGFBP1不仅表达在胎盘的胎盘细胞和Hofbauer cells中，还可能由子宫内膜蜕膜化的细胞释放，参与调节妊娠期间的胰岛素敏感性，从而影响母体和胎儿的营养平衡。IGFBP1水平与孕期胎盘功能的关联胎盘IGFBP1的表达与分泌（Placental IGFBP1 Expression and Secretion）在整个孕期中，胎盘细胞表达的胰岛素样生长因子结合蛋白1（Insulin-like Growth Factor Binding Protein 1, IGFBP1）水平显著高于非孕期。这一现象可能与胎盘和/或蜕膜细胞的贡献有密切关系。研究中发现，平均每百万转录本中，IGFBP1的表达水平为103.4，表明其在胎盘中的高表达状态。此外，蜕膜细胞（decidual cells）和Hofbauer cells也被观察到有IGFBP1的表达。IGFBP1与胎盘的生理功能（Physiological Functions of IGFBP1 in the Placenta）胎盘IGFBP1不仅在孕期内分泌增强，其还可能通过调节胰岛素样生长因子（Insulin-like Growth Factors, IGFs）的活性，参与胎儿的生长和代谢调节。IGFBP1通过与IGF-1和IGF-2结合，能够调节这些生长因子的生物活性。在孕期，这一作用尤为重要，因为IGF-1和IGF-2是调节胎儿生长的关键因子。孕期IGFBP1水平的变化（Variation of IGFBP1 Levels During Pregnancy）在孕期早期，IGFBP1的循环水平预测了后期妊娠糖尿病（Gestational Diabetes Mellitus, GDM）的风险。例如，在Gen3G研究中，孕早期IGFBP1的平均浓度为66,610 pg/ml，而在孕24至32周，其浓度升高至79,379 pg/ml。这种变化反映了IGFBP1水平与胎盘功能的密切关联，并暗示胎盘可能是孕期高循环IGFBP1水平的主要来源。潜在的局限性样本量限制（Sample Size Limitations）该研究只在434名参与者中进行了胎盘转录组（transcriptomic）分析，可能无法完全反映更广泛的人群中的生物标记物表达情况。此外，这种样本量可能限制了研究结果的统计功效，使得发现小的或中等效应大小的关联变得困难。研究设计局限（Study Design Limitations）该研究采用的是观察性研究设计，不能证明因果关系。尽管使用了多变量回归模型来调整混杂因素，但依然存在未观察到的混杂因素可能影响结果的风险。特定人群的适用性（Specific Population Generalizability）研究样本可能主要来源于某一特定地区或种族，研究结果的普适性（generalizability）可能受限。如果胎盘 IGFBP1（Insulin-like Growth Factor Binding Protein 1）水平在不同人群中表现出显著的异质性，那么研究结果可能无法推广到所有孕妇。衡量指标的局限性（Measurement Limitations）虽然使用RNA测序（RNA-seq）提供了基因表达的详尽数据，但这些数据可能受到样本处理、储存和测序平台的影响。此外，IGFBP1的测量依赖于酶联免疫吸附试验（ELISA），该方法虽然具体性强，但可能受到抗体特异性和交叉反应性的限制。生物学机制的解释局限（Biological Mechanism Interpretation Limitations）虽然研究揭示了IGFBP1与妊娠期胰岛素敏感性之间的关联，但其生物学机制仍不完全清楚。研究中提到的IGFBP1对IGF-1和IGF-2（Insulin-like Growth Factor 1 and 2）的作用可能依赖于多种因素，这些复杂的相互作用可能在不同的生理和病理状态下有所不同。横断面数据分析限制（Cross-sectional Analysis Limitations）虽然研究在不同时间点测量了IGFBP1水平与胰岛素敏感性的关系，但这种横断面数据分析不能有效地解释随时间变化的因果关系。此外，横断面研究通常更难以排除混杂因素的干扰。潜在的研究方向胎盘IGFBP1的详细功能研究：进一步探索胎盘IGFBP1在妊娠过程中的具体生物学功能和作用机制，尤其是它如何通过调节胎儿和母体的营养需求平衡来影响胰岛素敏感性。病理状态下的IGFBP1表达：可以关注在GDM和其他妊娠并发症中IGFBP1的表达变化，这可能帮助确定GDM发病的具体环节及其在其他妊娠相关代谢问题中的角色。IGFBP1的临床应用探索：探讨如何利用早孕期IGFBP1水平作为预测GDM的生物标志物，以及可能的预防措施，例如通过营养或药物干预调节IGFBP1水平来降低GDM的风险。基因编辑和动物模型研究：通过基因编辑技术和动物模型验证IGFBP1的功能，观察其缺失或过表达对妊娠过程及胎儿发育的影响，以便更好地理解其生理和病理作用。原文链接Hivert MF, White F, Allard C, James K, Majid S, Aguet F, Ardlie KG, Florez JC, Edlow AG, Bouchard L, Jacques PÉ, Karumanchi SA, Powe CE. Placental IGFBP1 levels during early pregnancy and the risk of insulin resistance and gestational diabetes. Nat Med. 2024 Apr 16. doi: 10.1038/s41591-024-02936-5. Epub ahead of print. PMID: 38627562.https://www.nature.com/articles/s41591-024-02936-5责编|探索君排版|探索君转载请注明来源于【生物探索】End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell 综述

引言端粒功能障碍与衰老过程错综复杂地联系在一起，并作为一个突出的癌症标志而突出。2024年3月27日，浙江大学吕志民及许大千共同通讯在Nature Chemical Biology在线发表题为“Fructose-1,6-bisphosphatase 1 dephosphorylates and inhibits TERT for tumor suppression”的研究论文，该研究证明端粒酶活性在癌症细胞和正常细胞中受到不同的调节，这取决于果糖-1,6-双磷酸酶1 (FBP1)的表达状态。在表达FBP1的细胞中，FBP1直接与端粒酶逆转录酶(TERT)的Ser227位点相互作用并使其去磷酸化。去磷酸化的TERT无法转位到细胞核中，导致小鼠端粒酶活性受到抑制，端粒长度减少，衰老加剧，肿瘤细胞增殖和生长受到抑制。脂质纳米颗粒介导的FBP1 mRNA递送抑制肝脏肿瘤生长。此外，在肾癌和肝癌标本中，FBP1表达水平与TERT pSer227水平呈负相关，并与患者预后不良相关。这些发现表明，FBP1通过其蛋白磷酸酶活性来控制细胞的不朽，并揭示了肿瘤细胞中由于FBP1表达下调或缺乏而产生的独特的端粒酶调节。端粒由重复的TTAGGG核苷酸序列组成，形成一个“帽状结构”，其功能是维持染色体的完整性。端粒在每一轮DNA复制过程中逐渐缩短，端粒功能的丧失导致有丝分裂期间染色体端到端融合，导致双中心染色体的形成和随后染色体断裂的后期桥接。生成的两个子细胞接受不均匀的染色单体，含有两个缺乏端粒的染色单体，导致有丝分裂后的断裂-融合桥(BFB)周期，最终导致正常细胞衰老和凋亡。在癌细胞中，端粒伸长和长度主要依赖于高度激活的端粒酶，在大多数人类癌症中，端粒酶合成端粒重复序列，在5-15%的癌症中，端粒选择性延长(ALT)。端粒酶的活性受端粒酶逆转录酶(TERT)的调控，TERT是端粒酶的催化蛋白亚基，在转录水平和翻译后水平均受调控。TERT磷酸化显著增加端粒酶活性。用于组装具有催化活性的端粒酶，细胞质TERT必须转运到细胞核中，这一过程需要AKT介导的TERT Ser227磷酸化才能将输入蛋白α与TERT8的核定位信号结合。然而，TERT磷酸化和随后的端粒功能在正常细胞和癌细胞中是否受到不同的调节，这在很大程度上是未知的。果糖-1,6-二磷酸酶1 (FBPase 1)是糖异生过程中的限速酶，可将果糖-1,6-二磷酸(F1,6BP)水解为果糖- 6-磷酸(F6P)。在哺乳动物中，两个独立的基因，FBP1和FBP2，分别编码肝脏和肌肉中FBPase的亚型。FBP1主要表达于肝脏和肾脏，在几乎100%的透明细胞肾细胞癌(ccRCC)中普遍缺失，在肝细胞癌(HCC)和其他类型的癌症中经常下调。它的缺乏促进了肝脏肿瘤的进展，并与较差的总生存率和较高的肿瘤复发率相关。研究表明，FBP1与HCC和ccRCC细胞中的缺氧诱导因子(HIFs)或增强子zeste同源物2 (EZH2)以酶活性不依赖的方式相互作用并抑制HIFs。此外，FBP1作为蛋白磷酸酶去磷酸化组蛋白H3来调节基因表达。然而，FBP1的酶活性是否具有直接调节肿瘤细胞增殖的兼职功能尚不清楚。、模式图（Credit: Nature Chemical Biology）该研究证明了FBP1通过FBP1的疏水残基N273与TERT相互作用。FBP1作为蛋白磷酸酶，使TERT的S227位点(pS227)去磷酸化，从而抑制TERT核易位和端粒酶活性，减少端粒长度，抑制肿瘤细胞的增殖和衰老。FBP1蛋白磷酸酶死亡突变体的表达促进了小鼠肿瘤的生长，同时TERT S227磷酸化水平和端粒长度增加。该研究揭示了FBP1蛋白磷酸酶活性对肿瘤和正常细胞中TERT活性差异调节的一个未知的关键机制。低FBP1表达与高TERT S227磷酸化水平以及较短的ccRCC和HCC患者生存期呈负相关，结合lnp为基础的FBP1 mRNA递送有效抑制肿瘤生长，强调了调节蛋白磷酸酶活性和FBP1表达以治疗人类癌症的潜力。原文链接https://www.nature.com/articles/s41589-024-01597-2责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

引言在现代生物医学研究领域，生物发光成像技术凭借其非侵入性、无需外加光源以及高灵敏度的独特优势，已经成为研究生物体内各种生理和病理过程的重要工具。特别是随着1月22日一项研究成果（An improved pathway for autonomous bioluminescence imaging in eukaryotes）在Nat Methods （IF 48）杂志上的发表，科学家们通过对霓虹灯菌(Neonothopanus nambi)中的生物发光途径进行改良，成功实现了在植物、真菌和哺乳动物宿主中自主发光亮度的显著提升，这一成就无疑为生物发光成像技术的进一步发展和广泛应用提供了强有力的支持。自然界的生物发光现象一直是科学家们研究的热门话题。霓虹灯菌的发现为在非自发光的真核生物中引入自主发光的可能性提供了新的思路。然而，将这一现象应用于异源宿主时，由于原生真菌酶的性能限制，其发光亮度往往难以满足实验要求，这成为推广其应用的一大障碍。在这项研究中，科学家们成功优化了真核生物中的自主生物发光途径，显著提高了在植物、真菌和哺乳动物宿主中的生物发光亮度。通过对Neonothopanus nambi真菌中的生物发光途径组分进行定向进化和改造，研究团队开发出了两种优化的生物发光途径版本：FBP2和FBP3，它们在多种宿主中实现了比原始途径（FBP1）高出一个到两个数量级的发光亮度。研究中涉及对两个关键酶nnLuz（荧光素酶）和nnH3H（hispidin-3-羟化酶）的改造。对nnLuz的定向进化产生了含有三个氨基酸替换（T99P, T192S和A199P）的nnLuz_v3变体，这些替换增加了其在细菌和哺乳动物细胞中的稳定性和亮度。进一步的随机突变产生了nnLuz_v4，它包含了额外的四个氨基酸替换（I3S, N4T, F11L和I63T），在酵母中显示出改善的热稳定性和催化活性。nnH3H的定向进化确定了五个增强亮度的氨基酸替换（D37E, V181I, A183P, S323M和M385K）。通过组合这些突变，得到了进一步增强亮度的nnH3H_v2。此外，研究还发现，来自Mycena citricolor的hispidin合成酶mcitHispS在多种异源宿主中的表现优于nnHispS，尤其是在植物中。通过将改造后的酶组合在一起，形成了FBP2（包含nnHispS, nnH3H_v2, nnLuz_v4, nnCPH和NpgA）和FBP3（包含mcitHispS, nnH3H_v2, nnLuz_v4, nnCPH和NpgA）两种优化途径。在实验中，FBP2和FBP3在植物、酵母和哺乳动物细胞培养系统中表现出了明显的亮度优势。特别是在植物中，FBP2和FBP3不仅提高了发光亮度，而且在六个代表四个双子叶植物科的物种中实现了稳定的转基因表达，这些物种包括模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）和烟草（Nicotiana benthamiana），以及快速生长的树种加拿大杨（Populus canadensis）、观赏植物矮牵牛（Petunia hybrida）和菊花（Chrysanthemum morifolium）。研究结果表明，FBP2和FBP3具有在植物中实现视频速率生物发光成像的潜力，即使在微弱的外部光照条件下也能使用消费级相机可靠地监测植物的生物发光。最明亮的组织——矮牵牛的花蕾甚至可以使用现代智能手机相机进行记录。转基因植株稳定表达生物发光途径不同版本的发光性：3周龄尼古丁树叶的平均亮度（Credit: Nat Methods）Methods速览定向进化与共识突变分析：对N. nambi的荧光素酶nnLuz和hispidin-3-羟化酶nnH3H进行定向进化和共识突变分析，通过筛选获得具有增强稳定性和亮度的nnLuz_v3和nnLuz_v4变体，以及提高亮度的nnH3H_v2变体。基因表达与瞬时转染：将改良后的生物发光基因构建到表达载体中，并通过瞬时转染的方式将其引入植物（如烟草Nicotiana benthamiana和拟南芥Arabidopsis thaliana）、酵母（如Pichia pastoris）和哺乳动物细胞（如人类HEK293细胞）中，以评估改良途径的生物发光性能。酶活性与热稳定性测试：在细菌、酵母和哺乳动物细胞中测试改良酶的活性和热稳定性，通过添加底物并使用荧光计或相机捕捉发光信号，从而评估酶的性能。农杆菌介导的植物转化：利用农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导的转化方法，将改良的生物发光基因稳定整合到植物基因组中，创建能够稳定发光的转基因植物系。发光成像与数据分析：使用IVIS Spectrum CT等成像系统或普通数码相机，在无外部光源的条件下捕获植物、细胞或酵母的自主生物发光图像。通过图像处理软件对捕获的图像进行分析，定量评估发光信号的强度和分布。这一创新性研究成果的实现，极大地拓宽了生物发光成像技术在植物学、神经科学、发育生物学等多个学科领域的应用范围，同时也为今后的研究提供了新的方向。其完全基因编码的特性，使实验操作变得更加简便，大大降低了研究成本，提高了实验效率。未来，随着对该技术的进一步优化和改进，预期将在更广泛的生物体系中实现更高效、更稳定的自主发光，为生物医学研究乃至临床诊断提供更加强大的技术支撑。参考文献https://www.nature.com/articles/s41592-023-02152-y责编|探索君排版|探索君End往期精选围观Nat Med | 黄荷凤院士/张静澜/徐晨明团队发表综合性无创产前筛查临床研究成果热文Science最新发布：全世界最前沿的125个科学问题热文不孕症治疗新方向！又一导致女性不孕的关键因素被发现热文Let-7家族miRNA或为癌症潜在免疫治疗靶点热文一项最新发现或可用于阿尔茨海默病药物开发