南京大学郭子建/何卫江团队Nat Commun：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

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 contact，MLC)，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和分离 (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事件可通过超分辨显微镜 (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的光漂白抗性并降低探针的光毒性和背景信号，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学应用 (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), 近期还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。

图1 双色亚细胞器成像探针的设计与工作机制。图片来源：Nat. Commun.

团队探针设计时将香豆素和电正性的部花菁结合实现探针Coupa在线粒体内膜的积聚，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（H₂S、SO₂、GSH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，即线粒体发蓝色光 (~500 nm) 而溶酶体发红色荧光 (~650 nm)。探针骨架中可自由旋转的C_sp²–C_sp²键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。

图2 探针用于动态监测MLC过程中的粘度变化。图片来源：Nat. Commun.

实验发现，MLC过程中Coupa标记线粒体的蓝色总是出现在线粒体 (MTG)和溶酶体 (Coupa-lyso) 的接触 (即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，实现了对线粒体自噬的动态过程的跟踪。这一工作一方面为线粒体/溶酶体互作动态跟踪探针提供了一种新的设计策略，也为其它多细胞器的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。

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）：

A dual-labeling probe to track functional mitochondria–lysosome interactions in live cells

Qixin Chen†, Hongbao Fang†, 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. DOI: 10.1038/s41467-020-20067-6

通讯作者简介

郭子建院士，南京大学化学化工学院博士生导师。1989-1994年在意大利帕多瓦大学并获得博士学位。曾在英国伦敦大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学、英国爱丁堡大学从事研究工作，研究方向为抗肿瘤金属配合物的作用机理研究。1999年起担任南京大学教授、博士生导师。主要研究领域为化学生物学，从事金属及其配合物的化学生物学研究。1999年获得国家自然科学基金委杰出青年基金资助，2001年被聘为教育部长江学者奖励计划特聘教授，2002年被评为享受国务院特殊津贴专家，2017年当选中国科学院化学部院士。曾任Chem. Soc. Rev., Inorg. Chem., J. Biol. Inorg. Chem.期刊的编委，目前担任Coord. Chem. Rev., Dalton Trans., J. Inorg. Biochem.等国际期刊的编委/顾问编委，以及《高等学校化学学报》、《无机化学学报》等刊物的副主编、主编。

https://www.x-mol.com/university/faculty/11597

何卫江教授，南京大学化学化工学院博士生导师。1991、1997和2001年分别获得南京大学化学专业学士、硕士和博士学位。2001-2002年在德国马普胶体与界面研究所从事博士后研究。2003年起在南京大学配位化学研究所工作。研究方向为无机信号小分子和生命关键过渡金属离子的探针设计、成像及其化学生物学；金属配合物的生物学效应，分子光物理、光化学效应的生物医药应用。在包括Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; ACS Nano; Chem. Sci.; Chem. Commun.等国际知名学术刊物上发表论文近百篇。曾受邀为Chem. Soc. Rev 及Elsevier系列丛书撰写分子影像学综述和专章。曾获江苏省第五届优秀博士论文奖，2009年中美药协(SAPA)优秀研究生论文导师，2015年教育部自然科学奖一等奖（第2完成人）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/11502