郭子建/何卫江等在Zn2+超分辨成像方面取得新进展,实现了用一种探针监测多个细胞器的Zn2+变化

郭子建/何卫江等在Zn2+超分辨成像方面取得新进展,实现了用一种探针监测多个细胞器的Zn2+变化
Zn2+与许多生理过程和疾病相关联的病状密切相关,并且作为“第二信使”,Zn2+参与细胞内信号调节和传导。亚细胞内Zn2+分布和变化对于细胞器功能和细胞生物学至关重要,但是目前尚无一种方法可以跟踪多个细胞器中的Zn2+信号传导关系。
 
近日,南京大学何卫江教授,陈韵聪副教授及刁佳杰教授在Nature Communications发表了题为:Simultaneous Zn2+ tracking in multiple organelles using super-resolution morphology-correlated organelle identification in living cells的论文。论文报道了基于超分辨成像细胞器形态识别,同时监测多细胞器中Zn2+水平变化(Zn-STIMO)的技术方法,实现了用一种探针监测多个细胞器的Zn2+变化。
郭子建/何卫江等在Zn2+超分辨成像方面取得新进展,实现了用一种探针监测多个细胞器的Zn2+变化
 
通过调节萘酰亚胺衍生的Zn2+探针的亲脂性,使其积累在除细胞核之外的多个细胞器中,该团队开发了多细胞器靶向的Zn2+荧光探针NapBu-BPEA。通过理论计算可知NapBu-BPEA具有光稳定性,这对于自由Zn2+实时跟踪至关重要。光谱实验和细胞成像证实了NapBu-BPEA能够特异性可逆识别Zn2+,光稳定性好,此外,还发现其可以分布在不同的细胞器中。

郭子建/何卫江等在Zn2+超分辨成像方面取得新进展,实现了用一种探针监测多个细胞器的Zn2+变化

1 Zn-STIMO的示意图
 
团队进一步研究了NapBu-BPEA在Zn-STIMO中用于自噬HeLa细胞的应用,观察到CCCP诱导HeLa细胞的线粒体自噬过程中,线粒体和ER中的自由Zn2+水平升高。然而,线粒体和内质网中自由Zn2+增强程度不同,自噬体和自溶酶体显示出最高的自由Zn2+释放。自噬体和自噬溶酶体中自由Zn2+的高水平可能是由含Zn2+的蛋白质降解引起的,类似于他莫昔芬诱导的自噬,将自由Zn2+释放到MCF-7细胞中的自噬体和溶酶体中。相比之下,观察到遭受饥饿诱导的自噬的HeLa细胞的自由Zn2+水平降低。CCCP和饥饿自噬之间不同的自由Zn2+响应表明,自噬可能会经历与不同Zn2+缓冲蛋白、转运蛋白和传感蛋白相关的途径,以调节Zn2+稳态。经历自噬的细胞中的Zn-STIMO也显示出自由Zn2+在ER和线粒体中分布不均匀。因此,通过SIM成像的Zn-STIMO可用于研究自噬过程中Zn2+的局部分布对细胞器功能的影响。
 
此外,通过Zn-STIMO在CCCP诱导的HeLa细胞线粒体中进行了动态自由Zn2+跟踪。对自由Zn2+动态跟踪通过SIM成像精确地显示了Zn-STIMO的能力。因此,不仅通过形态相关的细胞器鉴定证明了Zn-STIMO的概念,而且还使用Zn-STIMO来检测各种细胞器中自由Zn2+的波动。
 
类器官作为一种高级的复杂的体外培养 3D 组织,可以模拟器官的一些关键特征。类器官具有与器官相似的结构和功能,是一种自组装的三维结构,通常由体外培养的干细胞分化而成。由于与体外细胞模型相比,类器官可以很容易地模拟真实器官的结构和功能,它们不仅在科学研究和药物开发中具有显著的优势,而且为模拟人体器官提供了突出的便利。为此该团队还与辛辛那提大学儿童医院Takanori Takebe教授合作,使用 NapBu-BPEA 对肝类器官进行成像。发现NapBu-BPEA可以在不同深度进行完全成像,并区分紧密结合的多功能干细胞。根据可视化形态特征可以很容易地在断层图像中清楚识别出内质网,并且相关的荧光强度热图显示了不稳定的Zn2+水平 。因此,使用NapBu-BPEA对多能干细胞来源的类器官进行SIM成像,证明了超分辨形态相关细胞器识别的潜力,NapBu-BPEA还可以用于跟踪类器官中特定的细胞器、生物物种和感兴趣的事件。
 
尽管基于超分辨成像形态相关细胞器识别的Zn-STIMO可以检测细胞器中的生物物种变化,但由于SIM分辨率的限制,仍然难以将该方法应用于较小的细胞器(例如突触小泡)。因此,如果将该技术与更高分辨率成像技术(例如, STED)相结合,则可以观察到更详细的亚细胞结构和物种水平的细微变化。此外,当前的Zn-STIMO是基于增强型Zn2+探针,并且可以预料到探针动态分布的干扰。因此,开发用于Zn-STIMO的比例型Zn2+超分辨荧光探针是该团队正在努力的方向之一。
 
近年来郭子建/何卫江课题组一直致力于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), 近期还开发了多例用于细胞器互作超分辨成像的探针(H. Fang et al. ACS Nano 2019, 13,14426; Q. Chen & H.Fangetal.Nat.Commun.,2020,11,6290)
 
文章的第一作者为方红宝博士和硕士研究生耿姗姗何卫江教授,陈韵聪副教授和刁佳杰教授为本文的通讯作者。
 
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20309-7
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