半合成生物传感器揭示辅酶A在细胞内的代谢平衡

辅酶A（Coenzyme A，CoA）是一种普遍存在的辅助因子，在大量的酶促反应和各种细胞过程中都需要，包括柠檬酸循环、甾醇生物合成、氨基酸代谢、酮体生产和脂肪酸代谢。CoA浓度调节细胞代谢，或作为底物或变构调节剂。组蛋白和其他蛋白质与酰基CoA的翻译后修饰控制着大量蛋白质的命运。因此，CoA水平的失调会导致各种病理。然而目前仍缺乏一种测量CoA在活细胞中的浓度的方法。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学技术大学薛林团队与德国马克思普朗克医学研究所Kai Johnsson团队在Nature Chemical Biology杂志在线发表题为“Probing coenzyme A homeostasis with semisynthetic biosensors”的研究论文，该研究开发了第一个用于测量哺乳动物细胞不同细胞器CoA水平的生物传感器。并提出了CoA生物合成的细胞图，以提示细胞溶质和线粒体如何维持CoA池。

辅酶A（Coenzyme A，CoA）是新陈代谢的核心辅助因子之一。在真核生物中，CoA是由半胱氨酸、ATP和必需营养素泛酸盐合成的，泛酸盐也被称为维生素B5。泛酸在第一步被泛酸激酶（pantothenate kinase，PanK）磷酸化为4'-磷酸腺苷酸（4′-phosphopantothenat，PPan），随后被磷酸腺苷酰半胱氨酸合成酶（phosphopantothenoylcysteine synthetase，PPCS）和磷酸腺苷酰半胱氨酸脱羧酶（phosphopantothenoylcysteine decarboxylase，PPCDC）转化为4'-磷酸腺苷酸（4′-phosphopantetheine，PPanSH）。双功能CoA合成酶（CoA synthase，COASY）通过浓缩PPanSH和AMP，将PPanSH转化为去磷辅酶A （dephosphocoenzyme A，dPCoA），然后将dPCoA磷酸化形成CoA。此外，哺乳动物和其他真核生物拥有一种单功能去磷辅酶A激酶（dephosphocoenzyme A kinase，DCAKD），它也催化辅酶A生物合成的最后磷酸化步骤。

CoA的浓度在亚细胞间室中不同，包括细胞质、线粒体和过氧化物异构体。据报道，线粒体CoA池是最大的，包含了肝、心脏和肌肉细胞中总CoA的80-95% 。然而，不同的亚细胞CoA池是如何被调节的还不清楚。要回答这个问题，定量亚细胞CoA水平的方法是必不可少的。目前测定辅酶A的方法是基于色谱法、质谱法或酶法。它们需要溶解细胞或分离的线粒体，因此只能提供有限的亚细胞浓度信息。

在这项研究中，研究人员介绍了第一个测量活细胞中游离辅酶A浓度的半合成生物传感器。该半合成生物传感器是通过工程GFP-HaloTag融合蛋白与荧光配体的特异性标记生成的。通过调整CoA和栓系配体的结合蛋白的相对亲和力，可以合理地将传感器的灵敏度提高两个数量级以上。它的读数基于CoA依赖的Förster GFP和荧光配体之间的共振能量转移效率的变化。这种调优对于CoA传感器在不同细胞间隔中的使用非常重要，也确认了生物传感器的设计原则。CoA传感器具有对CoA的高选择性，对pH的变化相对不敏感。比率读数允许比较CoA在不同条件下和不同亚细胞间室的相对浓度。

利用这种生物传感器，研究人员探测了哺乳动物细胞中参与CoA生物合成和运输的众多蛋白质的作用。并首次提供了不同细胞系中游离胞质和线粒体[CoA]的绝对值。

CoA半合成生物传感器揭示CoA的代谢平衡

综上所述，这项研究描述了一种用于测量活细胞中游离胞质和线粒体[CoA]的生物传感器，并应用该传感器回答有关CoA稳态的核心问题。未来期望CoA传感器将成为研究CoA在代谢中的作用的重要工具。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41589-022-01172-7   审核编辑 ：李倩