山东大学于晓强《JACS》：单分子荧光探针对脂滴和内质网相互作用的双色可视化

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来源：JACS

最近，山东大学于晓强教授团队在Journal of the American Chemical Society 上发表了研究论文，报道了单分子荧光探针对脂滴和内质网的同时双色成像及其相互作用的研究。

在生命体系中，细胞器作为细胞基本的组成单位扮演着至关重要的作用。这些空间分布不同的细胞器既有各自明确的分工，同时又相互配合，密切联系，形成细胞器互作网络，从而完成细胞复杂的生命活动。细胞器互作网络的紊乱与多种疾病的发生、发展密切相关，故解析细胞器互作网络是目前生物学和生物化学领域的研究热点。

脂滴是细胞内一种新型的细胞器，不仅具有独立的功能，在进行脂质代谢和维持体内稳态方面起着关键的作用，而且与细胞内多种细胞器相互作用，是细胞器互作网络新的组成部分。其中，脂滴与内质网的关系最为密切，一种主流的假说认为脂滴是由内质网产生的。通过电子显微镜观察，研究者们发现在多种不同类型的细胞中，脂滴和内质网在空间上紧密接触；此外，脂滴蛋白质组学研究表明用于催化生成脂滴中性脂质的合成酶主要位于内质网上。但是，这些研究都是基于固定或死亡的生物样本，往往会造成信息失真和对结果的误判。因此，开发一种直接原位可视化活体样本中脂滴和内质网的方法对于研究二者相互作用至关重要。

图1. 基于ESIPT的单分子荧光探针PPC，EPC和MNC的分子结构及其对脂滴和内质网双色染色的原理。

脂滴是一个由单层膜包被的中性内核组成，为了维持结构的稳定性，脂滴内部几乎不含水分，而内质网是一个包含亲脂性组分和一定水分的双层膜结构。利用内质网和脂滴含水量的微小差异，山东大学的研究团队基于激发态分子内质子转移ESIPT原理首次设计合成了脂滴/内质网双靶标荧光探针PPC，EPC和MNC（图1）。由于强的给电子基团，PPC和EPC荧光光谱和发光颜色对水含量的微小变化极为敏感，在无水的非极性环境（比如纯1,4-二氧六环中）中主要显示红移的T*态发光，而且含有微量水的环境中则显示出强的N*态发光。由于合适的亲脂性特性，这些荧光探针能够同时靶向脂滴和内质网。基于PPC和EPC，该团队利用Lambda成像模式，在405 nm的激光激发下，同时实现了脂滴和内质网的双色荧光成像：含水量低的脂滴呈现橙色荧光，而含水量稍高的内质网呈现绿色荧光。利用探针PPC或EPC对脂滴和内质网的互作关系进行了研究，通过油酸诱导新生脂滴产生的原位实时成像发现，新生脂滴逐渐从内质网区域产生，并且由于一定的含水量，新生脂滴呈现出与内质网相似的绿色荧光，该团队首次证实了新生脂滴和内质网非常相似的含水环境，而成熟脂滴由于几乎不含水则呈现为橙色荧光（图2）。重要的是，这一结果为脂滴源于内质网的主流假说提供了有力的证据，同时这些单分子荧光探针有望成为进一步加速对脂滴和内质网互作关系破译的重要工具。由于研究工作的新颖性和重要性，该工作被编辑选为JACS 封面工作（Supplementary Journal Cover）。

图2. 探针PPC对脂滴生成和脂滴-内质网相互作用的研究。（A）在Lambda成像模式下，探针对油酸处理的HeLa细胞中新生脂滴的原位实时追踪。（B）图A中白色框内的放大图。（C）新生脂滴、成熟脂滴和内质网的原位荧光光谱。

该论文的第一作者是山东大学郭丽方博士，通讯作者是山东大学牛广乐教授和于晓强教授，该论文得到了山东大学薛冬峰教授、刘志强教授和华东理工大学张志云教授给予的重要建议、支持和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省泰山学者工程专项经费、广东省基础与应用基础研究基金、山东大学晶体材料国家重点实验室自主课题专项经费、山东大学交叉培育专项经费、山东大学齐鲁青年学者专项经费、中国科学院光化学转换与功能材料重点实验室开放课题、山东大学高等医学研究院开放课题等资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12323

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