近日，中國科學院大連化學物理研究所分子探針與熒光成像研究組研究員徐兆超團隊利用“緩沖”策略，發(fā)展了細胞內脂滴動態(tài)識別熒光探針LD-FG，該探針具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性，可在空間超分辨成像的基礎上實現高時間分辨率和長時間穩(wěn)定成像，從而發(fā)現了多種新的脂滴動態(tài)過程。
脂滴是維持脂質和能量穩(wěn)態(tài)的關鍵細胞器，由中性脂組成的內核及包裹其外的單層磷脂組成。脂滴表面分布著多種蛋白，以調控脂類的儲存、代謝及脂滴運動。越來越多的研究揭示，脂滴具有更多的生理功能，例如抗菌免疫能力、促進藥物積累和激活能力、內核膜代謝能力、與其他細胞器相互作用以交換營養(yǎng)分子、作為癌癥和衰老大腦神經認知功能障礙的標志物等。盡管對脂滴功能的機制缺乏研究，但已證實這些功能與脂滴生命周期的動態(tài)密切相關。揭示脂滴的動態(tài)有助于研究脂滴的功能機制和發(fā)現新的功能。然而，脂滴的數量、位置、大小和組成在細胞之間甚至在同一細胞內可能會有很大差異，脂滴的生命周期、時間和位置上也通常不可預測且難以觀察。此外，這些事件在脂滴生命周期中的發(fā)生率仍然未知。這種細胞異質性和不可預測性要求用于探測脂滴動態(tài)的成像技術不僅具有對脂滴的識別能力，更需要具有較好的空間和時間分辨率，以及長時間的的穩(wěn)定成像能力。
超分辨熒光成像可突破衍射極限實現最高可達單分子的空間分辨，但熒光團易光漂白而迅速淬滅的問題使得超分辨熒光成像一直面臨著時間分辨率低和成像時間長的挑戰(zhàn)。因此提高熒光團的光穩(wěn)定性是超分辨熒光成像面臨的前沿問題。
本工作中，徐兆超團隊提出了“緩沖熒光探針”（buffering fluorogenic probe，BFP）的策略來解決脂滴動態(tài)成像中光穩(wěn)定性的問題?！熬彌_”策略（buffer strategy）是指在成像過程中，脂滴內部光漂白的熒光探針被外部周圍新的和完整的熒光探針有效取代，即熒光探針交換速率大于漂白速率時，即可確保脂滴成像的光穩(wěn)定性。該策略要求探針在脂滴外部時處于熒光淬滅的狀態(tài)，并且在脂滴外具有較高的濃度以保證足夠的緩沖能力。LD-FG有適中的脂溶性保證了既有足夠的分子對脂滴進行熒光染色，同時又有足夠比例的分子在脂滴外作為緩沖池。緩沖池不僅可以快速補充脂滴中的光漂白探針，保證了長時間熒光成像的光穩(wěn)定性，還可以及時染色細胞中的新生脂滴，并接收脂滴減小或消亡中釋放到外部的探針。
利用“緩沖”策略開發(fā)的LG-FG探針能夠對脂滴動態(tài)穩(wěn)定成像
基于LD-FG優(yōu)異的光穩(wěn)定性，團隊借助結構光照明顯微鏡對脂滴的多種動態(tài)過程進行了高時空分辨率的成像，首次發(fā)現了兩種新的脂滴融合模式，包括多個脂滴的同時融合和線粒體介導的融合；揭示了細胞不同區(qū)域和不同細胞之間的異質性；提出脂肪細胞分化過程中脂滴成熟的新模型，即首先進行快速脂滴融合，接著是緩慢成熟步驟；首次在細胞中觀察到融合過程中的啞鈴形中間形態(tài)，證明聚結（coalescence）并不像以前知道的那樣罕見，而是在細胞中無處不在的。
作為最小的生命單元，細胞是含有細胞器、分子復合物和功能單分子的多體系、跨尺度的復雜系統(tǒng)，不同尺度單元又根據其位置、結構、運動、濃度以及與其他功能單元的動態(tài)相互作用，精確、有序和協(xié)調地執(zhí)行復雜多樣的細胞功能，這使得細胞具有個體與系統(tǒng)性相統(tǒng)一、異質性、高度動態(tài)、不確定性等多種特征。團隊期望“緩沖熒光探針（BFP）”的策略可以在未來用于開發(fā)針對更多不同細胞內生物靶點的光穩(wěn)定探針，最終實現細胞內生物分子全景超時空分辨動態(tài)成像。
相關成果以“Stable Super-resolution Imaging of lLpid Droplet Dynamics through a Buffer Strategy with a Hydrogen-bond Sensitive Fluorogenic Probe”為題，于近日發(fā)表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生陳婕和博士后王超。該工作得到國家自然科學基金、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的資助。
文章鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111052
