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目前，在荧光素底物中，D-荧光素和腔肠素使用得比较多。不同的底物应采用不同的注射方式。D-荧光素可通过尾静脉注射（IV）或腹腔注射（IP）。然而，腔肠素因其会被血液中的氧气氧化，产生较高的背景荧光，所以只能通过 IV 的方式注射到实验动物体内。对于 D-荧光素来讲，IV 和 IP 同样会影响生物发光的结果。IV 与 IP 比较结果图(Keyaerts M, Verschueren J, Bos TJ, et al.. Dynamic bioluminescence imaging for quantitative tumour burden assessment using IV or IP administration of D: -luciferin: effect on intensity, time kinetics and repeatability of photon emission. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2008 May;35(5):999-1007.) 左图为在同一只小鼠上尾静脉注射和腹腔注射 D-荧光素后的生物发光图像。右图为不同

荧光素酶的发光是酶促反应产生的自发光，不需要激发光，但需要底物荧光素。不同的荧光素酶所需的底物不同。例如，萤火虫荧光素酶的底物是 D-荧光素，海肾荧光素酶的底物是腔肠素。其中，D-荧光素的使用频率最多，荧光素在氧气、ATP 存在的条件下和荧光素酶发生反应，生成氧化荧光素，并产生发光现象。目前市场上 D-荧光素主要有三种形式，D-荧光素（游离酸）、D-荧光素（钠盐）和 D-荧光素（钾盐）。这三种形式主要区别在于溶解特性，配成溶液后，其在绝大多数应用上都没有实质性的差别，整体来看，钾盐在活体成像中的应用文献明显多于钠盐和游离酸。D-荧光素的发光动力学与注射 D-荧光素的浓度关系不大，需要根据动物体重进行注射，大部分已发表的文献中使用的荧光素浓度是 150mg/kg。

生物发光是一种依赖于酶和底物的相互作用来产生光的化学过程。所需的酶被称为荧光素酶，底物因荧光素酶的类型而不同（如荧光素）。常用荧光素酶信息表：其中最有代表性的是来自萤火虫体内（Firefly）和海肾（Renilla）体内的两类萤光素酶，分别命名为萤火虫荧光素酶（FLuc）和海肾荧光素酶（RLuc），同时近年来研究得较多的是来源于高斯氏菌的高斯荧光素酶（GLuc）。萤火虫荧光素酶（FLuc）作为最通用和最常见的报告基因，该蛋白质不需要翻译后修饰即可获得酶活性，可用于原核和真核细胞。FLuc和其它甲虫荧光素酶是分子量相对较大的酶，分子量大小约为 60kDa，底物为 D-荧光素，需要辅助因子 ATP 和 Mg2+。FLuc 发出的是黄红光，发射光峰值为 560nm。海肾荧光素酶（RLuc）是一种从 Renilla reniformis 分离的分子量大小为 36 kDa 的荧光素酶。与 FLuc 相比，海肾荧光素酶的底物和辅助因子需求不同。RLuc 在氧气存在下催化腔肠素，产生 480 nm 的蓝光。海肾萤光素酶因其与 FLuc 在底物要求和光输出方面的差异而可用于双重报告检测。近年来，因为其它

X射线（X-ray），又被称为伦琴射线或 X 光，是一种波长范围在 0.01 nm 到 10 nm 之间（对应频率范围 30 PHz到 30 EHz）肉眼不可见的电磁辐射。X 射线之所以能使实验动物在荧屏或胶片上形成影像，一方面是基于 X 射线的穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于实验动物组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当 X 射线透过实验动物各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的 X 射线量即有差异。这样，在荧屏或X射线上就形成黑白对比不同的影像。X 光成像示意图 优点：穿透性强，直接定位成像，从而更好地分辨动物内部结构图像，大幅提高了研究的准确性。弥补光学成像只能二维平面成像，空间分辨率小差的缺点（3D成像）。不足之处：X光有辐射风险，对设备的设计要求较高。X光成像效果图X光成像和发光成像叠加图

荧光是自然界常见的一种发光现象，通过激发光进行激发，进而发射出比激发光波长长的发射光。荧光成像的理论基础是荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定的范围内与荧光物质的量成线性关系。荧光成像系统包括荧光信号激发系统（激发光源、光路传输组件）、荧光信号收集组件、信号检测以及放大系统（CCD、PMT）。 实验原理：荧光成像的标记方法有两种。一种是荧光蛋白的标记方法，与生物发光类似，将荧光蛋白基因作为报告基因，连接于启动子下游，稳定整合到细胞染色体内。另一种则是荧光染料标记好细胞或药物分子后注射到动物体内。标记后，在外界激发光源的激发下荧光物质在生物体内以发射光的形式表达，进而监控生物体内的细胞活动和基因行为。通常情况下荧光成像的特点是，短波长和高能量的激发光激发，发射出长波长和低能量的发射光。例如：标记物 GFP 的荧光基团在一束特定波长（如 430nm）激发光的作用下，荧光基团的电子向高能级跃迁，随后从高能级跃迁回较低的能级，释放特定波长的光（如 500 nm）。 优点：荧光标记物选择性更多，荧光蛋白、荧光染料、量子点及各种纳米荧光颗粒均可以作为标记物标记方式更灵活，荧光蛋白可以标记基

上转换荧光是指稀土离子吸收两个或两个以上低能光子而辐射一个高能光子的发光现象，通常是近红外光转换为可见光。上转换荧光成像技术（up-converting phosphor technology，UPT）是基于上转换发光材料而发展起来的一种新型标记技术。上转换颗粒 UCP 是由数种稀土金属元素掺杂于某些晶体的晶格中构成的颗粒。由于其独特的结构，这种材料可在红外光区（波长>780 nm）被激发，发射波长远短于激发光的可见光（波长为 300~750 nm）。上转换荧光成像示意图(陈敏,熊丽琴,李富友. 上转换发光成像技术与靶向成像应用[J]. 生物物理学报,2010,26(8):702-710.) 由图(a,b,g,h)可知，相比于荧光成像的成像结果，上转换荧光成像的成像结果中，几乎观察不到肠道等器官的背景荧光，而且光的吸收散射等现象也有所减弱，光的穿透更高，整体的成像效果更好。图(a)(b)为上转换材料成像结果；图(g)(h)为量子点 QD625 成像结果。在不同激发光，相同发射光的条件下进行成像，上转换荧光成像的信噪比更高 优点：较深的光穿透深度无生物背景荧光干扰对生物组织几乎无损

生物发光（bioluminescence）是指生物体发光或生物体提取物在实验室中发光的现象。生物发光成像是一种研究技术，它使用来自自然物种的荧光素酶或这些酶的改良荧光素酶来跟踪细胞或动物内部的生物过程。荧光素酶通常编码在报告基因中，该报告基因被引入到感兴趣的细胞或动物中。感光相机(CCD)检测到的光子数代表了所选生物过程的变化。 实验原理：利用转基因技术，将荧光素酶基因连接于启动子下游，稳定整合到质粒内，再通过原核显微注射的方法，使其整合到小鼠受精卵基因组中下，并稳定遗传给后代。使荧光素酶在生物体内得到持续表达，注射底物后与表达的荧光素酶反应发光。（自发光，其信号的发射不需要外部光源激发）。目前，比较常用的是萤火虫荧光素酶和海肾荧光素酶。优势：低背景，避免了小鼠自发荧光的干扰和减少了外界激发光源的干扰高灵敏度，皮下少量的发光标记肿瘤细胞也可被检测到。如，AniView 100 在实际应用中，可检测到皮下至少 100 个发光标记的肿瘤细胞，但检测到的最少细胞数量与单个细胞的发光强度有关。不足之处：标记手段单一，只能通过转基因形式标记细胞、基因标记物单一，目前主要是使用萤火虫荧光素酶基因信

动物活体光学成像（Optical in vivo Imaging），指利用光学的探测手段结合光学探测分子对实验动物进行成像，来获得动物体内生物学信息的方法。根据探测方式的不同，光学成像可分为生物发光成像、荧光成像、上转换荧光成像、切伦科夫成像和 X-ray 成像等。其中，最常用到的是生物发光成像和荧光成像。生物发光是用荧光素酶（Luciferase）基因标记细胞或 DNA，而荧光技术则采用荧光报告基团（GFP、RFP、Cyt 及 dyes 等）进行标记。动物活体光学成像通过将目的基因、细胞、药物分子等做上标记后注射到动物体内。标记物多种多样，例如：萤火虫荧光素酶基因、荧光蛋白、荧光染料、量子点及其他纳米荧光颗粒等。体内光源发出的光，经过散射吸收后到达表面形成光斑。透过灵敏的光学元件（如 CCD），可将光信号转换成为电信号，再转换成图像输出。动物活体光学成像原理示意图 与传统实验相比，动物活体光学成像能够反映细胞或基因表达的空间和时间分布，从而了解活体动物体内的相关生物学过程、特异性基因功能和相互作用，对动物体内靶点、信号通路、代谢过程及动物活体内证实生物过程模型起到更好的探索作用；其次

饮食和健康之间存在多种相关性。既往多项研究发现，营养过剩会影响免疫和新陈代谢，继而增加患病风险；间歇性禁食不仅可减少腹部脂肪，还可调节葡萄糖和胰岛素、平衡血压血脂等，对身体益处多多。但近日发布在 Cell 子刊上的文章揭示，跳过早餐的禁食行为可能会影响人体免疫系统，继而损害身体健康。 2023 年 2 月 23 日，美国西奈山伊坎医学院在 Cell 子刊 Immunity 发表题为 Monocytes re-enter the bone marrow during fasting and alter the host response to infection 的新研究（图 1），揭示跳过早餐的禁食行为可能会影响人体免疫系统，不仅不利于抵抗外界感染，还会增加多种疾病的患病风险。图 1 相关研究（图源：[1]） 1. 禁食导致小鼠 90% 的单核细胞在血液中消失 此前有研究表明，饮食会影响白细胞在全身的分布，而改变这些白细胞分布或与某些疾病有关，如感染、肿瘤和实验性自身免疫性脑脊髓炎等。本研究重点研究禁食和重新进食对单核细胞动态和动态平衡的机制及影响。 为深入了解禁食对免疫系统的影响，

导读 在全球范围内，25 岁以上的成年人中，有四分之一的人在一生中会经历中风，其中 75% 的人会在手臂和手的运动控制方面存在长期缺陷，严重限制他们的身体自主权，这将对个人和社会造成巨大的影响。这些运动缺陷持续存在的部分原因是目前的神经康复方法未能大幅减少上肢损伤。 慢性中风患者表现为典型的上肢运动综合征，源于皮质脊髓束 (CST) 的损伤，它破坏了皮层以及控制手臂和手运动的颈脊髓回路之间的连接。鉴于大多数情况下 CST 的损伤是不完全的，因此人们认为可以通过放大剩余 CST 的能力来恢复患者自主运动。 2023 年 2 月 20 日，来自匹兹堡大学和卡内基梅隆大学的研究人员在 Nature Medicine 杂志发表了题为 Epidural stimulation of the cervical spinal cord for post-stroke upper-limb paresis 的文章，发现一种刺激脊髓的神经技术——脊髓电刺激 (SCS) ，可立即改善中风患者手臂和手部的活动能力，使受中度至重度中风影响的人能够更轻松地进行正常的日常活动。 出乎意料的是，刺激的效果似乎比科

导读 pre-mRNA 的剪接是由一种被称为剪接体的大而动态的 RNA-蛋白质复合物执行的。剪接体由 5 个小的核糖核蛋白颗粒（snRNPs，包括 U1、U2、U4、U5 和 U6）和非 snRNP 因子组装而成。每个 snRNP 由一个单独的小核 RNA (snRNA)，7 个常见的 Sm 蛋白和一些特定的蛋白质因子构建。在这 5 个 snRNP 中，U2 snRNP 在内含子的识别和前体折叠的组装过程中起着重要作用。 人类的 U2 snRNP 尤其复杂，它的组装是一个多步骤的过程，并且人们对此知之甚少。17S U2 被认为是直接参与早期剪接体组装的人类 U2 snRNP 的功能形式。17S U2 snRNP 的核心成分包括 SF3b 配合物、SF3a 配合物、12S U2 核心、剪接因子 TAT-SF1 和 DDX46。体外实验也表明，SF3b 与 12S U2 核依次组装，形成一种被称为 15S 粒子的中间产物，最终形成 SF3a 复合物。然而，对组装这一过程的蛋白质因子却知之甚少。 最新的研究表明，具有 RNA 伴侣活性的 DDX42 可能是在 U2 snRNP 组装完成后释放

2023 年 2 月 8 日，中南大学/中信湘雅生殖与遗传医院林戈教授团队联合中科院生物物理所薛愿超实验室在 Advanced Science 杂志上在线发表了题为 Selective Translation of Maternal mRNA by eIF4E1B Controls Oocyte to Embryo Transition 的研究论文，首次报道了卵母细胞内特异的翻译起始因子 eIF4E1B 在哺乳动物卵母细胞向胚胎转换过程中的生理功能，同时也提出在卵母细胞中存在的特异翻译激活模型。生殖细胞对个体生殖和种群延续至关重要，卵细胞中积累的蛋白质和 RNA 为早期胚胎发育奠定了物质基础。在卵母细胞向胚胎转换（OET, oocyte-to-embryo transition）的过程中，基因组转录活性在卵母细胞成熟的最后阶段逐渐降低直至完全停滞，那些卵母细胞不同发育阶段所转录的信使核糖核酸（mRNA）都需要在特定发育阶段被选择性激活翻译，以合成蛋白质参与卵子发生、母体胚胎转换（Maternal-to-zygotic transition，MZT）及早期胚胎的发育等过程。然而在不同细

春回大地，万物复苏。科研人踏上新的研究征程。 本周学术君继续为大家带来 CNS 最新进展，助力大家勇攀科研高峰！ 1. Nature：解析 NCC 蛋白结构及噻嗪类降压药的作用机制 高血压影响着全球约三分之一的成年人，位于肾脏远曲小管的 NCC 具有重要的调节作用。 2023 年 2 月 15 日，美国斯坦福大学医学院冯亮团队在 Nature 杂志发表研究论文 Structure and thiazide inhibition mechanism of the human Na-Cl cotransporter。 该研究解析了人源钠氯协同转运蛋白 NCC 及其与噻嗪类降压药（NCC 抑制剂）的复合物的电镜结构，揭示了 NCC 转运底物过程中的构象变化和噻嗪类降压药抑制 NCC 转运功能的分子机制，为未来设计靶向 NCC 的降压药提供了基础。图 1：来源 Nature 2. Nature：单次口服 sAC 抑制剂可用于男性避孕 据报道，全球意外怀孕率高达 50%。 2023 年 2 月 14 日，威尔康奈尔医学院的研究人员在 Nature Communications 杂志发表研究论文

代谢组学是现在医药领域用来探究某种疾病或药物作用机制的一种热门手段。目前代谢组学的研究主要采用三种技术平台：LC-MS、NMR 和 GC-MS。这三种技术各有利弊，相对来说，LC-MS 对于代谢物的检测最为全面。对于 LC-MS 代谢组学方法得到的代谢物指认，Xcalibur 软件和 Metlin 数据库最为实用。下面我们就讲一下 Xcalibur 软件和 Metlin 数据库的使用方法：1 . 找到想要解析的数据，双击，出现如下界面，激活右上角色谱图光标，使其变绿，即可对色谱图进行编辑。2. 右击色谱图，选中 Ranges，在 Scan 下选择想要查看的正负离子色谱图，以下以正离子为例，在 Plot 中选择要查看的谱图类型，如 TLC 为总离子色谱，点击确定，既得总离子色谱。3. 右击正离子色谱图，选中 Ranges，在 Plot 中选择 Mass Range，在最下方空白 Range(s) 处输入想要提取的 m/z，如 175.11913，即可提取到色谱峰。4. 激活质谱图光标，使其变绿，方可对质谱进行编辑，将鼠标定位在提取到的色谱峰处，下方质谱图即可显示对应的一级质谱5. 以 m

今天科学的行话变得越来越难以理解了，在进入蛋白质组的大舞台之前，需要了解一些定义。先从一些与公认的传统有冲突的概念开始，这些概念秘密地潜入了现代科学的前沿阵地。生物学粗糙的术语，或者太多的「组学」(omks）把人们引向「荒诞」(comics）。 全能的上帝给了人们现在的「组学」 基因组学——所有能找到的基因。转录组学——所有那些行动自由自在的信使们（估计超过 100 000 个）。蛋白质组学——国王的所有子民和他所有的战马（一支军队：估计 1 000 000 个）。代谢组学——所有前述的这些大分子遭天罚后的少数幸存者(只有一小撮，估计仅有 2000 个）。 系统组学――所有上述组学的混合 即使消化了这些古怪的术语（如基因组学、蛋白质组学和代谢组学）还是不够的，人们还需要囫囵吞枣地接受这样一个荒诞的术语 ——「系统组学」，就像隆美尔（Rommel）的军队出现在荒凉沙丘的骆驼脊背上一样，不用恐惧。很多这样的名词开始出现在人们的视线中，如「糖组」、「复合物组」和类似的词语。然而，正像增加巴别塔（Babel）的混乱一样，又出现了更多钻牛角尖的定义：Jeremy Nkh01son（个人通信）坚持

最简化的中心法则是 DNA 经过转录成为 RNA，RNA 经过翻译成为蛋白质，由于蛋白质组学（简称蛋白组）关心的是翻译成为蛋白质后发生的事情，因此这里就不赘述诸如逆转录，转录后调控等过程了。研究什么那么蛋白组究竟研究的是什么呢？简单的说呢，就是高通量或者说大规模地研究蛋白质的科学。具体来说主要是三大块：第一，蛋白质定性，或者说大规模检测某些蛋白质是否存在于样品当中；第二，蛋白质定量，也就是大规模检测某些蛋白质的含量（包括绝对含量与相对含量）；第三，蛋白质翻译后修饰，这些修饰主要包括磷酸化，泛素化，糖基化，乙酰化等等，也包括对这些翻译后修饰的定量研究。这三大块中所提到的大规模，既可以是样品数量的大规模高通量，也可以是少量样本中蛋白数量的大规模高通量。研究原因有的同学可能又要问，简单的定性定量研究，有了 RNA-seq 等高通量的实验方法，为什么还学要蛋白组学呢？首先，由于翻译调控和翻译后调控的存在，RNA 的表达量与实际对应蛋白质的含量相关性并不高，1999 年， 蛋白组学界大神 Steven Gygi 还在另一位大神 Ruedi Aebersold 门下学习时发表的古老文章，就简单地测

昼夜节律已受到科学界的广泛研究，其赋予了人类行为和生理学的时间模式，使身体内在与外在环境的预期变化保持一致。在人体中，24 小时的昼夜节律会影响机体的每一个器官，甚至每一个细胞。最新就有研究表明，在不同时间内运动，其新陈代谢的效果也不尽相同，人类可通过把握节律规律，实现更好的锻炼效果。 2023 年 2 月 13 日，瑞典卡罗林斯卡学院联合丹麦哥本哈根大学在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一篇题为 Time of day determines postexercise metabolism in mouse adipose tissue 的研究论文（图 1）。该项研究以小鼠为模型，发现将运动安排在早期活动阶段（对应于人类早晨锻炼），新陈代谢率更高，和脂肪分解、产热和脂肪组织中细胞相关的基因表达更为显著。简言之，上午运动，其燃脂效果更佳。图 1 相关发文 (图源：[1]) 为了探究不同的运动时间是如何影响脂肪燃烧的，研究人员选取生活在标准 12 小时光照/12 小时黑暗循环，可随意获取标准食物的小鼠，然后将 10 至 11 周大的小鼠在早期休息阶段 (ZT3) 或早期活动阶

现阶段，不孕不育是影响人类生殖健康和人口质量的重大问题。据 WHO 调查，全世界 15% 的育龄夫妇存在不育问题，其中男性因素约占 50%。作为导致男性不育的重要致病因素，弱畸精子症已经越来越多的受到人们的关注。先前的研究表明这一类疾病与遗传因素相关。自 2014 年以来，已经陆续有二十余个致病基因被发现，包括该合作团队前期报道的 CFAP 家族基因 CFAP43、CFAP44 (Tang et al., AJHG 2017)、CFAP47 (Liu et al., AJHG 2021)、CFAP58 (He et al., AJHG 2020)，TTC 家族基因 TTC21A (Liu et al., AJHG 2019a)、TTC29 (Liu et al., AJHG 2019b)，以及动力蛋白家族基因 DNAH8 (Liu et al., AJHG 2020) 等。这些基因大多为进化上保守的，通过基因编辑的小鼠模型即可完成相应的表型和辅助生殖结局相关的研究。 近日，复旦大学张锋、安徽医科大学曹云霞、昆明理工大学司维、中南大学谭跃球等团队的多中心研究在学术期刊《The Ameri

高血压是影响全球约三分之一成年人的常见慢性病，也是导致中风、缺血性心脏病、慢性肾病和其他心血管疾病的主要危险因素。每年，全球超过 1000 万人的死亡都与之有关。1957 年，氯塞嗪（chlorothiazide）问世，拉开了使用噻嗪类利尿剂治疗高血压的帷幕。现在，这类兼具疗效与安全性的口服降压药仍是治疗高血压的一线药物。科学界已经知道，噻嗪类降压药的降压效果，是通过抑制钠氯协同转运蛋白（NCC）——一种能调控离子和酸碱平衡的关键蛋白——的功能来实现的。然而，该过程背后的分子机制仍不清楚。近日，美国斯坦福大学医学院冯亮课题组在一篇发表于《自然》的研究论文中给出了答案。研究解析了人源 NCC 及其与噻嗪类降压药（NCC 抑制剂）的复合物的电镜结构，阐明了噻嗪类降压药抑制 NCC 转运功能的分子机制。这一结果为理解 NCC 的钠氯协同转运机制提供了重要见解，并为未来设计靶向 NCC 的降压药奠定了坚实的基础。值得一提的是，这是继 3 年前冯亮实验室联合廖茂富实验室合作在《自然》发表了钠-钾-氯协同转运蛋白 NKCC1 的结构后，在阳离子-氯离子协同转运蛋白研究领域取得的又一项突破性进展。肾

导读 根据最新数据，全球意外怀孕率约为 50%。在社会生活中，女性承担着绝大部分的避孕节育任务。从口服避孕药、宫内节育环、输卵管结扎到皮下埋植，一系列避孕措施都是针对女生的。而男性的避孕选择是避孕套或输精管结扎术，这两种方法都存在局限性，至今并没有一种具有临床应用潜质的男性口服避孕药。因此，开发针对男性的有效避孕策略尤为重要。 在前期的临床研究中，基于各种激素方案的男性避孕措施取得了约 94% 的总体成功率，但由于不必要的副作用，这些策略均被放弃。其他策略则侧重于阻碍精子的功能行使，例如，来源于中草药的雷公藤内酯，可使小鼠和非人类灵长类动物的精子变形，最终导致动物不育。但是，所有这些激素或非激素疗法都需要持续数月的治疗才能生效，而且在停止治疗后也需要类似的时间才能完全恢复。因此，寻找一种副作用小、有效的男性短期避孕药物，仍然备受讨论和关注。 2023 年 2 月 14 日，来自威尔康奈尔医学院的研究人员在 Nature Communications 发表了题为 On-demand male contraception via acute inhibition of soluble ad