圖1. 鉻（III）熒光探針可以標記細胞內(nèi)鉻（III）特定結(jié)合蛋白質(zhì)（上），鉻（III）結(jié)合蛋白集中于線粒體生物功能調(diào)節(jié)（右），鉻（III）降低ATP synthase 活性（右下），鉻（III）啟動下游的腺苷單磷酸活化蛋白激酶AMPK通道（下），鉻（III）改善葡萄糖代謝（左下），鉻（III）作用模式圖（左）。
(原新聞稿已于4月12日發(fā)布)
香港大學（港大）理學院化學系孫紅哲教授團隊最近于降血糖研究取得突破進展，并于國際著名學術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表成果。
團隊的研究確認，營養(yǎng)補充劑鉻元素（III）可以通過抑制三磷酸腺苷（ATP）合成酶 (ATP synthase) 的活性，調(diào)節(jié)細胞能量穩(wěn)態(tài)，增加細胞對葡萄糖的代謝能力，改善由高糖引起的線粒體形變，并提高二型糖尿病小鼠對葡萄糖的代謝能力。為了找到鉻（III）蛋白標靶及其作用機制，研究團隊開發(fā)了新型的熒光探針，實現(xiàn)鉻（III）蛋白組在細胞內(nèi)的高分辨時空示蹤及鑒定。實驗進一步揭示鉻（III）取代 ATP synthase活性中心的鎂離子，從而降低其活性，改善葡萄糖代謝的機制。這一研究結(jié)果為降血糖研究提供了新的思路。
「鉻（III）是一種常用的營養(yǎng)補充劑，常被用于治療糖尿病、減肥和促進肌肉發(fā)育等方面。但科學家們一直無法確定鉻（III）在生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)標靶和作用機制。研究團隊使用了基于熒光探針的新方法，成功解決了這個科學難題，揭示了鉻（III）的蛋白標靶和分子機制。這是一個極為重要的研究成果，對基礎(chǔ)科學和人類健康應(yīng)用領(lǐng)域都有著重要意義?！诡I(lǐng)導團隊的孫紅哲教授說。
研究背景
糖尿病是一種慢性的代謝疾病，全球超過五億人患有此病，每年造成近兩百萬人死亡，且超過95%的糖尿病患者患有二型糖尿?。═2DM），嚴重危害人類的健康。三價鉻（鉻（III））此前已于對抗二型糖尿病的動物實驗中顯示功效（例如胰島素抵抗小鼠和高脂飲食誘導的糖尿病小鼠）。自有報導大鼠膳食添加鉻（III）可增加血糖去除率以來，鉻（III）已被廣泛用于糖尿病治療、減肥以及肌肉發(fā)育的營養(yǎng)補劑。目前鉻（III）是美國市場上第二暢銷的礦物質(zhì)補劑，僅次于鈣。
盡管鉻元素在病理生理學中非常重要，但它是元素周期表中最不容易理解的過渡金屬元素之一。半個世紀以來，關(guān)于鉻（III）在人體生理學中的重要性、藥物學特性、分子靶點和作用機制，一直是學術(shù)界熱烈辯論的議題。最初，人們認為活性低分子量鉻（III）與肽(chromodulin)結(jié)合可以起到調(diào)節(jié)作用，但這種理論未被充分證實。目前普遍認為，鉻（III）可以改善葡萄糖代謝，保持正常血糖水平，調(diào)節(jié)碳水化合物和脂類代謝，并增強胰島素信號。然而，其中潛在的分子機制仍不清楚，這是因為難以確定鉻（III）的生理作用分子標靶。這些生物分子對于了解鉻（III）的生理學和藥理學作用至關(guān)重要，因此它們也被稱為鉻生物化學的「圣杯」。
迄今為止，除了血漿中的蛋白質(zhì)以外，在細胞或組織中尚未找到能與鉻（III）直接結(jié)合的蛋白質(zhì)。即使使用各種分離和檢測方法，也很難檢測到鉻（III）結(jié)合蛋白質(zhì)的信號，這可能歸因于它容易和與其結(jié)合的蛋白質(zhì)解離，而目前尚無方法適合于追蹤活細胞中鉻（III）結(jié)合蛋白。對于與蛋白質(zhì)結(jié)合較弱或瞬態(tài)的金屬，利用小分子熒光技術(shù)標記金屬蛋白質(zhì)有助于理解它們在活細胞中的分布和功能調(diào)節(jié)。
主要發(fā)現(xiàn)
團隊根據(jù)之前的研究工作，成功合成了一種能夠在活細胞內(nèi)識別鉻（III）結(jié)合蛋白的熒光探針。該探針由三部分組成：熒光基團香豆素(AC)、金屬螯合基團氨三乙酸(NTA)和光敏感交聯(lián)基團迭氮苯基。探針進入細胞后與鉻（III）結(jié)合，鉻（III）與蛋白質(zhì)中的特異氨基酸結(jié)合，使得探針穩(wěn)定地結(jié)合在金屬蛋白質(zhì)上，而在紫外光照射下，迭氮苯基會與金屬結(jié)合位點鄰近的氨基酸形成共價鍵。這種探針能夠幫助研究人員更好地理解鉻（III）結(jié)合蛋白質(zhì)在活細胞中的位置和功能。
團隊使用上述探針在活細胞中監(jiān)測鉻（III）結(jié)合蛋白質(zhì)的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)主要集中在細胞的線粒體上。通過進一步的實驗，他們確認了人體細胞中第一個鉻（III）蛋白組，并發(fā)現(xiàn)鉻（III）結(jié)合在ATP synthase活性中心后，會取代酶底物的鎂離子，從而降低ATP合成酶的酶活性并啟動下游通道，減緩高血糖對線粒體的損傷，改善葡萄糖代謝。這個作用模式在二型糖尿病小鼠模型中得到了驗證。此外，這項研究還解決了鉻（III）如何在分子水平上改善高血糖應(yīng)激的問題，同時，該探針也可廣泛用于其它金屬離子結(jié)合蛋白的監(jiān)測。由于確認了多個鉻（III）結(jié)合蛋白質(zhì)，這項研究也為以后深入研究鉻（III）在其他疾?。ㄈ缈股窠?jīng)退化性疾病和抗衰老）中的藥理作用開啟了新的視野。
該研究在《自然·通訊》期刊獲得了多位審稿人的高度評價。他們認為這項研究利用了一種熒光探針，巧妙地解決了七十多年來鉻元素分子標靶鑒定的重大難題。而且，研究人員還成功地使用了熒光成像與質(zhì)譜聯(lián)用的方法，來鑒定鉻結(jié)合蛋白。這不僅是化學生物學領(lǐng)域的一次創(chuàng)新，更是對人類健康事業(yè)的一次重大突破。
關(guān)于研究團隊
本研究由香港大學理學院化學系孫紅哲教授帶領(lǐng)，同屬化學系的王海波博士、胡立剛博士、李洪艷博士授為本文的共同第一作者。其他參與這項研究的成員包括同系的黎佑芷博士、魏雪瑩研究生、徐小晗博士、曹振坤博士、張苑茵博士，以及港大李嘉誠醫(yī)學院的徐愛民教授、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心江桂斌院士、胡立剛和周群芳研究員、香港城市大學何明亮教授及萬倩婭博士、江漢大學曹慧明博士。特此鳴謝香港研究資助局和香港特別行政區(qū)食物及衛(wèi)生局醫(yī)療衛(wèi)生研究基金，以及港大葉志成范港喜基金對本研究的大力支持。
關(guān)于孫紅哲教授
孫紅哲教授是港大葉志成范港喜基金教授（生物無機化學）及化學系講座教授。他的研究重點包括金屬蛋白質(zhì)組學、藥物化學（抗菌劑的發(fā)現(xiàn)）和生物化學。孫教授在克服對超級細菌的抗菌素耐藥性、開發(fā)抗冠狀病毒藥物和金屬生物學等領(lǐng)域發(fā)表了一系列廣受認可的工作。
更多有關(guān)孫教授的資料，可參看以下網(wǎng)址：https://www.bioinorg-chem.hku.hk/
研究論文可見于：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37351-w
圖片下載及說明：https://www.scifac.hku.hk/press
