在細(xì)胞的微觀世界中，線粒體如同精巧的發(fā)電站，通過調(diào)控在線粒體內(nèi)膜（嵴）上的化學(xué)反應(yīng)為生命活動(dòng)提供必需的能量。然而，這些細(xì)胞內(nèi)的微小細(xì)胞器不僅關(guān)乎能量轉(zhuǎn)換，更與細(xì)胞的生長(zhǎng)、穩(wěn)定、信號(hào)傳導(dǎo)、甚至細(xì)胞凋亡等息息相關(guān)。線粒體這些重要而又獨(dú)特的性質(zhì)源于線粒體內(nèi)膜包裹的專屬遺傳信息-線粒體DNA（mtDNA）。科學(xué)家渴望進(jìn)一步探究mtDNA在線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律、mtDNA與線粒體嵴相互作用關(guān)系。北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院席鵬團(tuán)隊(duì)與合作者通過開發(fā)一種新型熒光探針HBmito Crimson，為我們揭開了線粒體嵴與其內(nèi)部DNA（mtDNA）之間神秘互動(dòng)的面紗，相關(guān)工作發(fā)表于Light: Science and Applications。

圖形摘要

在細(xì)胞內(nèi)部，線粒體作為細(xì)胞的“發(fā)電站”，扮演著至關(guān)重要的角色，不僅負(fù)責(zé)能量的產(chǎn)生，還涉及細(xì)胞的增殖、穩(wěn)態(tài)維持以及調(diào)控細(xì)胞凋亡等關(guān)鍵信號(hào)通路。線粒體嵴作為內(nèi)膜的一部分，其結(jié)構(gòu)細(xì)微且復(fù)雜，對(duì)于維持線粒體功能至關(guān)重要。而線粒體自帶遺傳密碼，類似人體中的一個(gè)器官但具有獨(dú)立的DNA，因此其來源與功能就顯得更加神秘。線粒體DNA（mtDNA）位于線粒體基質(zhì)中，包含37個(gè)基因以及編碼14種線粒體相關(guān)蛋白，在ATP的生產(chǎn)中扮演了重要作用。mtDNA由蛋白質(zhì)包裝形成類核，由于線粒體嵴作為屏障，類核的運(yùn)動(dòng)在線粒體中受到限制。嵴重塑參與下的線粒體融合和裂變對(duì)于mtDNA的分布和維持至關(guān)重要。然而，在這個(gè)過程中，嵴排布的動(dòng)態(tài)特性促進(jìn)mtDNA在整個(gè)線粒體網(wǎng)絡(luò)中分布的機(jī)制仍然未被充分探索。

線粒體的直徑一般在500納米左右，嵴間距一般小于70納米，傳統(tǒng)顯微鏡技術(shù)沒有辦法觀察到該動(dòng)態(tài)過程。超分辨顯微鏡，特別是受激輻射損耗超分辨顯微鏡（STED）的發(fā)展，使得線粒體嵴的動(dòng)態(tài)可視化成為可能，該技術(shù)提供的空間和時(shí)間分辨率分別約為50納米和每秒1幀。然而，STED需要高強(qiáng)度的損耗光束來提升分辨率，要求標(biāo)記染料在特異性靶向線粒體內(nèi)膜的情況下，同時(shí)具有高亮度和高受激發(fā)射截面（即低飽和功率）的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的線粒體內(nèi)膜標(biāo)記染料在STED下只能維持幾幀，新開發(fā)的一些染料在動(dòng)態(tài)成像時(shí)間尺度上也滿足不了觀察需求。

在這一研究領(lǐng)域，北京大學(xué)與河北大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為HBmito Crimson的新型熒光探針（其中HB一語雙關(guān)，既代表超分辨染料的重要特性高亮度High-Brightness，也代表染料發(fā)明地河北HeBei）。該探針具有高亮度，卓越的光穩(wěn)定性、脂膜熒光性和低STED飽和功率等特點(diǎn)。利用這種探針，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了超過500幀的連續(xù)低功率成像，以40納米的空間分辨率觀察了內(nèi)膜動(dòng)態(tài)（圖1）。

圖1 用HBmito Crimson染色的線粒體內(nèi)膜多維成像結(jié)果。（a）共聚焦，STED和STED反卷積結(jié)果對(duì)比展示；（b）線粒體連續(xù)長(zhǎng)時(shí)程成像，成像幀數(shù)500幀；（c）線粒體的3D-STED成像

通過使用HBmito Crimson和SYBR Gold對(duì)內(nèi)膜和mtDNA進(jìn)行了延時(shí)雙色STED/共聚焦成像，發(fā)現(xiàn)mtDNA在整體均勻分布的情況下傾向于在線粒體的尖端或分支點(diǎn)聚集。線粒體和相互連接的線粒體網(wǎng)絡(luò)之間mtDNA分布存在差異，說明不同大小的線粒體可能發(fā)揮不同的功能。在線粒體動(dòng)態(tài)過程中（圖2），觀察到線粒體網(wǎng)絡(luò)是通過融合事件和新分支的產(chǎn)生而形成的，并且作者首次可視化了在線粒體形成分支時(shí)的嵴動(dòng)態(tài)和mtDNA分布變化。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)融合事件往往發(fā)生在mtDNA附近，可能因?yàn)閙tDNA所在的嵴簇之間的空隙基質(zhì)密度較低，嵴排列松散，嵴重塑過程中受到的壓力較小。這種密切關(guān)聯(lián)可能還使得mtDNA在融合過程中能夠在不同的線粒體之間有效傳輸。此外，對(duì)線粒體分裂的觀察揭示了mtDNA復(fù)制和分裂位點(diǎn)之間的空間聯(lián)系，從而使遺傳物質(zhì)能夠在整個(gè)線粒體網(wǎng)絡(luò)中正確分離和均勻分布。

圖2 與mtDNA相關(guān)的線粒體動(dòng)力學(xué)成像。（a）卡通展示mtDNA傾向于分布在尖端和分支點(diǎn)；（b）分支點(diǎn)處存在mtDNA和不存在mtDNA時(shí)的情況；（c）線粒體融合形成分支點(diǎn)；（d）新分支的出現(xiàn)形成分支點(diǎn)；（e）線粒體分支上的mtDNA移動(dòng)到分支點(diǎn)；（f，g）線粒體融合中的嵴動(dòng)態(tài)展示

mtDNA在維持嵴結(jié)構(gòu)中起著重要作用。反之，維持mtDNA分布也需要正常的嵴動(dòng)力學(xué)。在細(xì)胞凋亡和鐵死亡的情況下，嵴結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致mtDNA分布紊亂。作者觀察到了細(xì)胞凋亡后期內(nèi)膜疝出和mtDNA逃逸的動(dòng)態(tài)過程，以及鐵死亡時(shí)線粒體的皺縮、碎片化以及mtDNA的會(huì)聚，反映了與細(xì)胞死亡模式相關(guān)的明顯形態(tài)變化和線粒體損傷。

綜上所述，這一研究結(jié)果以40nm的超高時(shí)空分辨率揭示了線粒體膜動(dòng)態(tài)與mtDNA分布之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。先進(jìn)成像技術(shù)與新型線粒體內(nèi)膜探針的結(jié)合，使得活細(xì)胞STED低光毒性成像成為可能，并展示了新技術(shù)在下一代線粒體研究中的巨大潛力。理解這些機(jī)制將有助于揭示線粒體在細(xì)胞生理學(xué)、人類疾病和衰老中的作用。

北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院博士生任偉、河北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院碩士生蓋希川為共同第一作者。席鵬、河北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院高保祥教授、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院?jiǎn)未貉喔呒?jí)工程師為本文的共同通訊作者。

本工作受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，也得到北京大學(xué)國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心、Abberior中國(guó)公司和光飛納科技公司的幫助。HBmito Crimson探針產(chǎn)品目前由MedChemExpress (MCE)公司負(fù)責(zé)產(chǎn)品推廣。

來源：北京大學(xué)