Cell 子刊：发现新的小分子生物荧光物质，还与CNS 疾病、抗菌都有关？

生物荧光是一种广泛存在于海洋中的现象，发生现象的原因是生物荧光物质吸收海洋中蓝光后发射出波长更长、能量更低的绿色、橙色或红色的可见光。

自从 1962 年，绿色荧光蛋白（GFP）在维多利亚水母中被发现，并且随着多种有着更强荧光的异源表达或突变 GFP 的出现，生物医药科学取得了重大突破。

研究发现小分子生物荧光物质

目前，虽然多种生物荧光物质已经被发现，但是引发生物荧光现象的物质主要还是局限于 GFP、类 GFP 蛋白和脂肪酸结合荧光蛋白（FABP）这三种大分子物质。

然而，Hyun Bong Park 团队在致力于研究东太平洋绒毛鲨（Cephaloscyllium ventriosum）和网纹猫鲨（Scyliorhinus retifer）的生物发光化学机理时，竟然在鲨鱼皮肤上发现了一种小分子生物荧光物质。

图片来源：iScience

虽然在脊椎动物和无脊椎动物中 GFP、类 GFP 蛋白和胆红素结合荧光蛋白被广泛报道，但这种溴化色氨酸-犬尿氨酸代谢物却为我们展现了一种之前未被报道过的以小分子代谢产物发出的荧光。

图片来源：iScience

在这两种鲨鱼的浅米色皮肤区域中，与深色皮肤区域相比具有更高强度的绿色荧光。通过比较不同皮肤区域的代谢产物，Park 团队发现了一套在浅色皮肤中积累的小分子代谢物与荧光现象密切相关。

通过高分辨率质谱（MS）、紫外-可见光谱、多维核磁共振（NMR）和荧光显微术等多种方法的分析下，最终通过在与生物环境更为相似的 PBS 溶剂中测定代谢途径相关产物的吸收和发射光谱，发现只有溴-犬尿氨酸黄具有绿色波长为 507nm 的最大发射光。得出溴化色氨酸-犬尿氨酸的代谢产物溴-犬尿氨酸黄就是鲨鱼皮肤中亮绿色荧光的化学来源，从而产生生物荧光表型这一结论。

这种小分子物质与抗菌、CNS 疾病也有关？

除此之外，Park 还发现导致生物荧光的溴化色氨酸-犬尿氨酸这一代谢途径的其它产物还具有抗菌性。

海底沉积物的细菌量比水中的要高，考虑到东太平洋绒毛鲨与水底沉积物直接接触的生活习性，Park 团队展开了对皮肤中除了溴-犬尿氨酸黄的其它七种提取物进行抗菌性的研究。

以海洋沉积物中最为常见的革兰氏阳性耐甲氧西林葡萄球菌（MRSA）和革兰氏阴性溶血性弧菌作为检测对象，发现 6 -溴色氨酸衍生二酮哌嗪对 MRSA 有抑制作用，半最大抑制浓度（IC50）为 66μM。而溴-犬尿氨酸的羧基烯烃衍生物（Br-CKA）对溶血性弧菌的 IC50为 14μM。

更为有趣的是，这种小分子的溴-色氨酸-犬尿氨酸生物合成途径和脊椎动物的色氨酸-犬尿氨酸途径具有一致性。

在人体中，犬尿氨酸及其类似物对多种重要的生物过程起到调节作用。

几年前，Campbell 团队的一篇综述中曾谈及炎症细胞因子在中枢神经系统疾病中对犬尿氨酸类物质的调节效应，并且详细地阐述了犬尿氨酸代谢途径和中枢神经系统疾病之间的关系。

犬尿氨酸代谢失调在许多神经退行性疾病或精神病学疾病中扮演着很重要的角色，因此在阿兹海默症、帕金森、亨廷顿氏舞蹈症、癫痫症、精神分裂等多种疾病发现的同时，通常会伴随着犬尿氨酸类物质在血清、脑脊液、大脑中含量的上升。

近年来对中枢神经系统疾病的大量研究，也为大家揭开了犬尿氨酸代谢途径的神秘面纱。

犬尿氨酸途径在神经系统中有两条分支，一条是兴奋性（神经毒性）的，而另一条则是抑制性（神经保护性）的。

神经退行性或者精神疾病其中一个重要指标是喹啉酸和犬尿酸的产量平衡，而调节这两种物质最重要的酶分别是犬尿氨酸单氧化酶（KMO）和犬尿氨酸氨基转移酶（KAT）。

然而，很多犬尿氨酸的代谢物穿越血脑屏障的能力很低，而犬尿氨酸本身却可以通过中性氨基酸转运体大量运输至大脑中。所以说，犬尿氨酸类物质在中枢神经系统中的浓度高低主要还是取决于调节犬尿氨酸代谢的酶的活性。

图片来源：Frontiers in Neuroscience

GFP 作为一种生物荧光物质，为生物科学作出的重大突破奠定了坚实的基础。

而 Park 团队的研究则揭示了一种以小分子物质作为生物荧光物质的溴化色氨酸-犬尿氨酸途径的化学机制，相信通过一段时间科学家们的发掘后该种荧光分子也将为生物科学作出重要贡献。

溴化色氨酸-犬尿氨酸这一代谢途径不仅在生物荧光的发现上是令人震惊的，关于这一途径相关代谢产物在抗菌性的相关领域以及中枢神经系统相关领域中的相关研究对大家来说也有着不小的吸引力。

参考文献：

[1] Hyun Bong Park, Yick Chong Lam, Jean P. Gaffney et al., Bright Green Biofluorescence in Sharks Derives from Bromo-Kynurenine Metabolism, iScience

(2019), https://doi.org/ 10.1016 /j.isci.2019.07.019

[2] Campbell B M, Charych E, Lee A W, et al., Kynurenines in CNS Disease: Regulation by Inflammatory Cytokines[J]. Frontiers in Neuroscience, 2014, 8: 12.