科学研究 学术动态

郭子建/何卫江团队Nat Comm: 双色亚细胞器成像探针及其对线粒体/溶酶体互作中膜粘度的超分辨感知

发布日期:2021-02-23 访问量:


线粒体-溶酶体相互作用,包括线粒体-溶酶体融合(即线粒体自噬)和线粒体-溶酶体接触(mitochondria-lysosome contactMLC),对于维持真核生物的细胞内稳态具有重要意义(Y. C. Wong et al., Nature 2018, 554, 382; Trends Cell Biol. 2019, 29, 500)。线粒体-溶酶体互作障碍会引起神经退行性疾病和癌症等。线粒体和溶酶体的膜接触是指两者近距离(~10 nm)成膜接触及其在接触分离(60 s-13 min)的动态过程中的相互交流。由于Abbe衍射极限(< 200 nm)的限制,这一事件难以通过荧光显微镜或共聚焦显微镜捕捉。目前MLC事件通过超分辨显微镜(SRM)和电子显微镜(EM)观察到的物理距离来定义,还难以利用生化和细胞学方法直接显示MLC的精确位置

通过优化合成荧光探针光漂白抗性并降低探针的光毒性背景信号,亚细胞器形态的超分辨成像取得了较好进展,也为监测线粒体-溶酶体相互作用提供了支持南京大学郭子建/何卫江团队长期从事各种荧光探针的开发与化学生物应用(Y. Chen et al., Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 4517; Z. Chen, et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 17973; H. Fang et al., Sci. China Chem. 2020, 63, 699), 近期开发了用于细胞器互作超分辨成像的探针(H. Fang et al. ACS Nano 2019, 13, 14426)。但这些探针仍然无法单独同时标记线粒体和溶酶体线粒体-溶酶体功能互作跟踪还至少需要两种不同发射光谱的荧光探针。同时也不能指示细胞器互作过程中的微环境变化,限制了进一步对细胞器互作的理解

1 双色亚细胞器成像探针设计与工作机制,图片来源于Nature Communications

团队探针设计将香豆素和电正性的部花菁结合实现探针Coupa在线粒体内膜积聚,同时发现该探针可以通过内吞方式进入溶酶体。探针本身主要发射部花菁的荧光,可直接标记溶酶体(Coupa-lyso,在SIM-561 nm 激光下呈现红色)。在线粒体中,线粒体内高活性硫H2SSO2GSH等)环境可通过反应破坏部花菁结构,使得探针主要发射香豆素荧光而实现了对线粒体的异色成像(Coupa-mito,在SIM-405 nm激光下呈现蓝色),从而实现同时标记线粒体和溶酶体并呈现不同颜色, 线粒体发蓝色光(~500 nm)溶酶体发红色荧光(~650 nm)探针骨架中可自由旋转的Csp2–Csp2使得探针可以对粘度进行响应,从而可以实现对细胞器互作动态过程中粘度变化的实时监测。

2 探针用于动态监测MLC过程中的粘度变化,图片来源于Nature Communications 

实验发现,MLC过程中Coupa标记线粒体蓝色总是出现在线粒体(MTG)和溶酶体(Coupa-lyso)的接触(MLC)位点。这表明线粒体中Coupa-mito标记的粘度分布与MLC位点相关MLC位点的形成可能是依赖于的线粒体局部粘度增加,也可能是由于线粒体内某些蛋白质聚集引起的局部黏度变化。研究线粒体自噬时发现溶酶体的红色荧光逐渐减弱,而线粒体的蓝色荧光逐渐增强,实现线粒体自噬的动态过程的跟踪这一工作一方面线粒体/溶酶体互作动态跟踪探针提供了一种新的设计策略,也其它多细胞器多色成像探针构建提供了思路, 同时实现了线粒体自噬过程基于单一探针的多色超分辨跟踪,为线粒体自噬等研究提供了新的工具。

这一成果近期发表在Nature Communications 上,文章的第一作者为陈启鑫博士和方红宝博士,第一单位是南京大学,张凯教授,何卫江教授,郭子建院士和刁佳杰教授为本文的通讯作者。

A dual-labeling probe to track functional mitochondria–lysosome interactions in live cells, Qixin Chen&dagger;, Hongbao Fang&dagger;, Xintian Shao, Zhiqi Tian, Shanshan Geng, Yuming Zhang, Huaxun Fan, Pan Xiang, Jie Zhang, Xiaohe Tian, Kai Zhang*, Weijiang He*, Zijian Guo* & Jiajie Diao*, Nat. Commun., 2020, 11, 6290. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20067-6.