​Nat Comm丨首个双色亚细胞器黏度探针

责编 | 酶美

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)【1，2】，对于维持真核生物的细胞内稳态具有重要意义，也是药物开发和筛选的评估指标之一【3】。线粒体和溶酶体形成独特的细胞器间膜接触位点，介导代谢物在细胞器间的转移，参与了与这两个细胞器功能障碍相关的疾病的发病【1】。近些年来，为了在超分辨率显微镜下成像和研究线粒体-溶酶体互作的生物学功能，许多合成荧光探针已经被开发出来以成像亚细胞细胞器的形态【4】。然而，目前至少需要两种不同发射光谱的荧光探针或荧光蛋白来成像线粒体-溶酶体的相互作用【5】。重要的是，这些探针不能有效地跟踪线粒体-溶酶体功能相互作用的动态变化如黏度，这限制了研究者对细胞在药物干预和局部环境变化反应的理解。

2020年12月8日，南京大学郭子建院士/何卫江教授课题组在Nature Communications期刊上发表文章A dual-labeling probe to track functional mitochondria–lysosome interactions in live cells，设计了一种黏度响应的小分子有机探针，Coupa，以监测活细胞中线粒体与溶酶体的相互作用。Coupa通过在溶酶体上发射红光和在线粒体上发射蓝光来同时标记线粒体和溶酶体。借助Coupa的黏性敏感性，这允许精确定位MLC位点，也揭示了MLC形成与线粒体局部黏度增加是有关的。以红蓝荧光强度之间的相关性来衡量线粒体与溶酶体在线粒体自噬过程中相互作用的进程。

在探针的结构设计中，研究人员为了使探针可以靶向线粒体，在分子骨架中引入了正价基团，使其能够在线粒体内膜积聚。利用溶酶体吞噬外源分子的能力，使荧光探针骨架可以定位在溶酶体中。为了让该探针可以在线粒体和溶酶体中呈现不同的颜色，引入了两个分子内电荷转移（intramolecular charge transfer，ICT）发射峰的荧光探针骨架，香豆素（发射~500 nm）和部花菁（发射~650 nm）。并且在正常状态下只有部花菁系统对整个分子的荧光团发挥着主要作用，可直接标记溶酶体（在SIM-561 nm 激光下呈现红色）。为了成像线粒体，利用线粒体内高H2S、SO2、GSH或其它活性硫环境存在的条件来破坏部花菁荧光体系，仅保留了香豆素系统来实现了对线粒体的异色成像（在SIM-405 nm激光下呈现蓝色）。利用这个双ICT荧光骨架可实现同步定位线粒体和溶酶体并呈现不同颜色：线粒体约500 nm（蓝色），溶酶体约650 nm（红色）。最后，为了使探针对黏度产生响应，研究人员在荧光骨架中增加了C-C旋转以响应黏度变化。

双色亚细胞器黏度探针设计

接下来，研究人员利用该探针研究线粒体-溶酶体互作在MLC和线粒体自噬两种不同的细胞过程。首先，研究人员探讨了线粒体内黏度与MLC之间的联系。发现在MLC接触过程中，Coupa标记线粒体Coupa-mito（蓝色）总是出现在线粒体（MTG）和溶酶体（Coupa-lyso）的接触（即MLC）位点。这一结果表明，线粒体中Coupa-mito标记的黏度分布与MLC位点相关。MLC位点的形成可能是依赖于的线粒体局部黏度增加，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。随后，研究人员探讨了黏度变化与另一种线粒体与溶酶体互作形式（线粒体自噬）的关系，发现在此过程中，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，可用来追踪线粒体自噬的动态发生过程。

双色亚细胞器黏度探针示踪线粒体与溶酶体互作

总之，研究人员开发了一种双标记探针，能够通过功能性荧光转换同时标记活细胞中的线粒体和溶酶体。该探针能够报告功能性线粒体-溶酶体串扰的详细信息，有助于描述线粒体和溶酶体中特定步骤的调控机制，也简化大规模筛选的染色过程，具有产业化应用的前景。

据悉，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，南京大学为第一单位，陈启鑫博士（现供职于山东第一医科大学）和方红宝博士为论文的第一作者。

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20067-6

制版人：Kira

参考文献

1.Wong YC, Ysselstein D, Krainc D. Mitochondria–lysosome contacts regulate mitochondrial fission via RAB7 GTP hydrolysis.Nature554, 382-386 (2018).

2.Chen Q, et al. Super‐Resolution Tracking of Mitochondrial Dynamics with An Iridium (III) Luminophore.Small14, 1802166 (2018).

3.Chen Q, et al. Nanoscale monitoring of mitochondria and lysosome interactions for drug screening and discovery.Nano Research12, 1009-1015 (2019).

4.Fang H, et al. De Novo-Designed Near-Infrared Nanoaggregates for Super-Resolution Monitoring of Lysosomes in Cells, in Whole Organoids, and in Vivo.ACS Nano13, 14426-14436 (2019).

5.Chen Q, et al. Quantitative analysis of interactive behavior of mitochondria and lysosomes using structured illumination microscopy.Biomaterials250, 120059 (2020).