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利用固定于表面的树枝状聚合物进行单细胞脂肪酸摄取分析

脂肪酸同葡萄糖和氨基酸类似,是维持细胞生长和增殖的重要能量物质。脂肪酸的异常代谢广泛存在于癌细胞中,但其调节机制和治疗意义尚不完全清楚。有研究表明肿瘤细胞的存活和转移扩散往往需要外源性脂肪酸的摄取和消耗。此外,在肿瘤细胞中,脂肪酸的代谢表现出高度的异质性:即使同一组细胞也能表现出对脂肪酸不同程度的依赖性。鉴于脂肪酸代谢与癌症的高度相关性和复杂性,学者们需要对其进行更全面的研究。为了克服肿瘤细胞的高度异质性对肿瘤代谢研究的影响,在单细胞的层面上分析脂肪酸的摄入是十分必要的。在此基础上,如果能够结合胞内肿瘤关键信号蛋白实现多重分析,人们可以进一步加深对肿瘤细胞脂肪酸代谢的理解,同时为合理设计联合用药方案提供理论基础。


加州大学河滨分校雪岷课题组和西雅图系统生物学研究所魏巍课题组合作,以叠氮化物修饰的脂肪酸 (FA-N3) 作为天然脂肪酸替代物,结合之前开发出微流控芯片技术(Single-cell barcode chip,SCBC),首次实现了在单细胞层面上同时对脂肪酸摄取和关键信号蛋白的多重分析。


两课题组的研究者们设计了如下的方法实现了对细胞摄取脂肪酸的检测(图1a,b)。细胞在摄取叠氮化物修饰的脂肪酸(FA-N3)后被裂解。裂解液中的FA-N3被固定在表面的二苯并环辛炔(Dibenzocyclooctyne,DBCO)捕获,并与叠氮化物修饰的荧光淬灭剂(BHQ2-N3)竞争。为了提高DBCO对叠氮化物的捕获效率,研究者们开发出DBCO修饰的树枝状聚合物探针(DBCO-Dendrimer),每个探针分子上载有多个DBCO。他们将该探针分子和荧光团(Cy3)标记的单链DNA连接(图1c),以将其固定在表面上并发出荧光信号(图2a)。这样以来,当FA-N3和BHQ2-N3竞争时,体系中的FA-N3与荧光信号成正相关联系(图2b)。在验证该方法有效性后,他们将该方法融入SCBC技术之中,研发出了能同时检测单个细胞关键信号蛋白和脂肪酸摄取的微流控芯片。

图1


图2


接着他们选用了人脑胶质瘤细胞U87III作为细胞模型,利用SCBC实现了同时对单个U87III的脂肪酸摄取和关键信号蛋白的定量分析(图3a)。他们发现不同的U87III对脂肪酸的摄取差异很大,且有很高的异质性(图3b)。该U87III细胞可以依据对脂肪酸的摄取差异分为两个亚型。通过进一步的分析,他们发现细胞对脂肪酸的摄取是由mTOR信号传导通路下游重要蛋白p70S6K和4EBP1分别调节(图3c)。值得注意的是,细胞对脂肪酸的摄取和p70S6K的磷酸化呈现出强烈的负相关性。由此,他们提出假设:如果同时抑制脂肪酸代谢和p70S6K,或许可以进一步提高对U87III细胞的生长抑制。

图3


基于以上猜想,研究者们使用了不同浓度的脂肪酸代谢抑制剂曲美他嗪(Trimetazidine)和p70S6K抑制剂(LY2584702)对人脑胶质瘤细胞U87III做加药处理。结果显示,在一定浓度范围内联合使用这两种抑制剂对U87III的生长抑制有很好的协同效果(图3d),这验证了先前的设想。


小结


两个课题组的研究者们基于表面固定的树枝状聚合物,结合微流控芯片技术首次在单细胞层面上实现了同时对关键信号蛋白和脂肪酸摄取的多重定量分析。该研究发现 p70S6K 和 4EBP1 与脂肪酸摄取存在差异性的联系。此外,同时抑制脂肪酸代谢和p70S6K对抑制U87III的生长有很好的协同效果。该检测方法为研究脂肪酸代谢如何影响生物系统开辟了新的途径,同时该方法也可以扩展用于其他叠氮小分子的检测。


这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上,文章的第一作者是加州大学河滨分校的郭知力博士和西雅图系统生物学研究所的程翰俊博士。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Single-Cell Profiling of Fatty Acid Uptake Using Surface-Immobilized Dendrimers

Zhili Guo, Hanjun Cheng, Zhonghan Li, Shiqun Shao, Priyanka Sarkar, Siwen Wang, Rohit Chaudhuri, Nicole G. Perkins, Fei Ji, Wei Wei*, and Min Xue*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c05103


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