大連化物所實現多種細胞器動態超分辨成像

近日，我所分子探針與熒光成像研究組（1818組）徐兆超研究員團隊發展了聚集體調控探針，解決了以往蛋白標簽熒光探針在超分辨成像應用中缺乏對多種細胞器通用性標記的問題。該探針基于遺傳編碼技術，實現了細胞內多種細胞器選擇性熒光識別的廣譜應用性，并且實現了細胞器亞結構的動態超分辨成像，進而揭示了多種未見報道的細胞器結構動態變化，為進一步研究不同細胞器的功能提供工具。

細胞是高度動態的有機體，內部存在多種細胞器，如線粒體、溶酶體、脂滴、內質網、細胞核、細胞膜等。這些細胞器各自發揮不同功能并相互協同，最終通過一系列動態行為完成各種生理活動。因此，納米尺度下細胞器與亞細胞器動態行為的監測與解析對于生命進程的解密至關重要。徐兆超研究團隊前期針對溶酶體內酸性微環境設計合成了溶酶體自閃染料，并借助單分子定位顯微鏡（SMLM）實時監測了溶酶體運動并發現4種溶酶體間相互作用模式（Angew. Chem. Int. Ed.，2022）；針對脂滴內部高度疏水環境設計了緩沖脂滴探針，實現了脂滴的穩定超分辨成像并發現脂滴融合的新模式（Angew. Chem. Int. Ed.，2021）。然而，這些細胞器探針依靠不同細胞器內特有微環境達到對細胞器的定位與識別，單個探針只能實現單一細胞器的標記。有機小分子熒光探針與蛋白標簽技術相結合，協同解決了小分子熒光探針靶向性差和熒光蛋白穩定性不足的問題，并且依靠對細胞器中標志蛋白的融合達到對不同細胞器熒光標記和超分辨成像的目的。前期工作中，該團隊構建的SNAP蛋白標簽探針克服了傳統線粒體探針易受電位波動而脫靶的問題，實現了對線粒體的穩定標記和動態超分辨成像（Biosens. Bioelectron.，2021; Angew. Chem. Int. Ed.，2020）。然而，蛋白標簽熒光探針依然面臨細胞滲透性差的問題，特別是探針在細胞內局域分布使得單一探針難以具有對多種細胞器廣譜性標記的性能。

針對此問題，該團隊發展了具有“單體—二聚體—聚集體”多體系動態調控的SNAP蛋白標簽探針BGAN-Aze，該探針在細胞外形成熒光淬滅的納米聚集體而具有快速穿透細胞膜和在細胞內廣泛分布的能力，在細胞內以單體的形式與目標蛋白共價連接，并伴隨熒光的恢復，最終實現細胞內多種細胞器選擇性熒光識別與細胞器亞結構的動態超分辨成像。高度平面的萘酰亞胺、芐基與鳥嘌呤能夠形成穩定的“卡扣狀”熒光淬滅二聚體，大幅降低了熒光成像過程中的背景信號，實現了對SNAP-tag蛋白高的熒光響應倍數（約41倍）。通過質譜、理論計算等，團隊驗證了體系中二聚體形成的驅動力主要來自于兩分子間的范德華力。此外，研究發現BGAN-Aze為不帶電荷的中性分子，可保持高度的細胞滲透性與生物相容性，能夠實現納米尺度下對細胞膜、線粒體、細胞核等多種細胞器亞結構的長時間追蹤。在已經獲得的數據中，典型進展包括絲狀偽足的整個生長及相互作用過程，團隊進一步揭示了偽足萌芽到成熟過程中每個階段的速率及時長，絲狀偽足的多種形成模式，如融合、分裂、凸起等；監測了線粒體動態行為，揭示了線粒體脊的動態變化，線粒體之間瞬時的相互作用以及線粒體自噬的整個過程；監測了核仁的整個融合過程，揭示了核仁融合的時間速率等。

相關研究成果以“Modulation of Dynamic Aggregation in Fluorogenic SNAP-tag Probes for Long-term Super-resolution Imaging”為題，于近日發表在Aggregate上。該工作的第一作者為我所1818組已畢業博士劉文娟與喬慶龍副研究員，以上研究工作得到國家自然科學基金、所創新基金等項目的資助。（文/圖 喬慶龍）