圖1. 鉻（III）熒光探針可以標(biāo)記細(xì)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(dòng)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(xué)（港大）理學(xué)院化學(xué)系孫紅哲教授團(tuán)隊(duì)最近于降血糖研究取得突破進(jìn)展，并于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表成果。
團(tuán)隊(duì)的研究確認(rèn)，營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑鉻元素（III）可以通過(guò)抑制三磷酸腺苷（ATP）合成酶 (ATP synthase) 的活性，調(diào)節(jié)細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)，增加細(xì)胞對(duì)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(duì)葡萄糖的代謝能力。為了找到鉻（III）蛋白標(biāo)靶及其作用機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新型的熒光探針，實(shí)現(xiàn)鉻（III）蛋白組在細(xì)胞內(nèi)的高分辨時(shí)空示蹤及鑒定。實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jī)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(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑，常被用于治療糖尿病、減肥和促進(jìn)肌肉發(fā)育等方面。但科學(xué)家們一直無(wú)法確定鉻（III）在生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)標(biāo)靶和作用機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)使用了基于熒光探針的新方法，成功解決了這個(gè)科學(xué)難題，揭示了鉻（III）的蛋白標(biāo)靶和分子機(jī)制。這是一個(gè)極為重要的研究成果，對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和人類健康應(yīng)用領(lǐng)域都有著重要意義。」領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的孫紅哲教授說(shuō)。
研究背景
糖尿病是一種慢性的代謝疾病，全球超過(guò)五億人患有此病，每年造成近兩百萬(wàn)人死亡，且超過(guò)95%的糖尿病患者患有二型糖尿病（T2DM），嚴(yán)重危害人類的健康。三價(jià)鉻（鉻（III））此前已于對(duì)抗二型糖尿病的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中顯示功效（例如胰島素抵抗小鼠和高脂飲食誘導(dǎo)的糖尿病小鼠）。自有報(bào)導(dǎo)大鼠膳食添加鉻（III）可增加血糖去除率以來(lái)，鉻（III）已被廣泛用于糖尿病治療、減肥以及肌肉發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑。目前鉻（III）是美國(guó)市場(chǎng)上第二暢銷的礦物質(zhì)補(bǔ)劑，僅次于鈣。
盡管鉻元素在病理生理學(xué)中非常重要，但它是元素周期表中最不容易理解的過(guò)渡金屬元素之一。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，關(guān)于鉻（III）在人體生理學(xué)中的重要性、藥物學(xué)特性、分子靶點(diǎn)和作用機(jī)制，一直是學(xué)術(shù)界熱烈辯論的議題。最初，人們認(rèn)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(shí)。目前普遍認(rèn)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(qiáng)胰島素信號(hào)。然而，其中潛在的分子機(jī)制仍不清楚，這是因?yàn)殡y以確定鉻（III）的生理作用分子標(biāo)靶。這些生物分子對(duì)于了解鉻（III）的生理學(xué)和藥理學(xué)作用至關(guān)重要，因此它們也被稱為鉻生物化學(xué)的「圣杯」。
迄今為止，除了血漿中的蛋白質(zhì)以外，在細(xì)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(cè)方法，也很難檢測(cè)到鉻（III）結(jié)合蛋白質(zhì)的信號(hào)，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(wú)方法適合于追蹤活細(xì)胞中鉻（III）結(jié)合蛋白。對(duì)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(biāo)記金屬蛋白質(zhì)有助于理解它們?cè)诨罴?xì)胞中的分布和功能調(diào)節(jié)。
主要發(fā)現(xiàn)
團(tuán)隊(duì)根據(jù)之前的研究工作，成功合成了一種能夠在活細(xì)胞內(nèi)識(shí)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(tuán)香豆素(AC)、金屬螯合基團(tuán)氨三乙酸(NTA)和光敏感交聯(lián)基團(tuán)迭氮苯基。探針進(jìn)入細(xì)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?lè)€(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(huì)與金屬結(jié)合位點(diǎn)鄰近的氨基酸形成共價(jià)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(xì)胞中的位置和功能。
團(tuán)隊(duì)使用上述探針在活細(xì)胞中監(jiān)測(cè)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(xì)胞的線粒體上。通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，他們確認(rèn)了人體細(xì)胞中第一個(gè)鉻（III）蛋白組，并發(fā)現(xiàn)鉻（III）結(jié)合在ATP synthase活性中心后，會(huì)取代酶底物的鎂離子，從而降低ATP合成酶的酶活性并啟動(dòng)下游通道，減緩高血糖對(duì)線粒體的損傷，改善葡萄糖代謝。這個(gè)作用模式在二型糖尿病小鼠模型中得到了驗(yàn)證。此外，這項(xiàng)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(wèn)題，同時(shí)，該探針也可廣泛用于其它金屬離子結(jié)合蛋白的監(jiān)測(cè)。由于確認(rèn)了多個(gè)鉻（III）結(jié)合蛋白質(zhì)，這項(xiàng)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(kāi)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(píng)價(jià)。他們認(rèn)為這項(xiàng)研究利用了一種熒光探針，巧妙地解決了七十多年來(lái)鉻元素分子標(biāo)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(lái)鑒定鉻結(jié)合蛋白。這不僅是化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的一次創(chuàng)新，更是對(duì)人類健康事業(yè)的一次重大突破。
關(guān)于研究團(tuán)隊(duì)
本研究由香港大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系孫紅哲教授帶領(lǐng)，同屬化學(xué)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(xiàng)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?jiān)芬鸩┦?，以及港大李嘉誠(chéng)醫(yī)學(xué)院的徐愛(ài)民教授、中國(guó)科學(xué)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(xué)何明亮教授及萬(wàn)倩婭博士、江漢大學(xué)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(duì)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(wú)機(jī)化學(xué)）及化學(xué)系講座教授。他的研究重點(diǎn)包括金屬蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物化學(xué)（抗菌劑的發(fā)現(xiàn)）和生物化學(xué)。孫教授在克服對(duì)超級(jí)細(xì)菌的抗菌素耐藥性、開(kāi)發(fā)抗冠狀病毒藥物和金屬生物學(xué)等領(lǐng)域發(fā)表了一系列廣受認(rèn)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(jiàn)于：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37351-w
圖片下載及說(shuō)明：https://www.scifac.hku.hk/press
