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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(tuán)隊發(fā)展了聚集體調(diào)控探針，解決了以往蛋白標(biāo)簽熒光探針在超分辨成像應(yīng)用中缺乏對多種細(xì)胞器通用性標(biāo)記的問題。該探針基于遺傳編碼技術(shù)，實現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)多種細(xì)胞器選擇性熒光識別的廣譜應(yīng)用性，并且實現(xiàn)了細(xì)胞器亞結(jié)構(gòu)的動態(tài)超分辨成像，進(jìn)而揭示了多種未見報道的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，為進(jìn)一步研究不同細(xì)胞器的功能提供工具。
細(xì)胞是高度動態(tài)的有機(jī)體，內(nèi)部存在多種細(xì)胞器，如線粒體、溶酶體、脂滴、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞核、細(xì)胞膜等。這些細(xì)胞器各自發(fā)揮不同功能并相互協(xié)同，最終通過一系列動態(tài)行為完成各種生理活動。因此，納米尺度下細(xì)胞器與亞細(xì)胞器動態(tài)行為的監(jiān)測與解析對于生命進(jìn)程的解密至關(guān)重要。徐兆超研究團(tuán)隊前期針對溶酶體內(nèi)酸性微環(huán)境設(shè)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(jiān)測了溶酶體運(yùn)動并發(fā)現(xiàn)4種溶酶體間相互作用模式（Angew. Chem. Int. Ed.，2022）；針對脂滴內(nèi)部高度疏水環(huán)境設(shè)計了緩沖脂滴探針，實現(xiàn)了脂滴的穩(wěn)定超分辨成像并發(fā)現(xiàn)脂滴融合的新模式（Angew. Chem. Int. Ed.，2021）。然而，這些細(xì)胞器探針依靠不同細(xì)胞器內(nèi)特有微環(huán)境達(dá)到對細(xì)胞器的定位與識別，單個探針只能實現(xiàn)單一細(xì)胞器的標(biāo)記。有機(jī)小分子熒光探針與蛋白標(biāo)簽技術(shù)相結(jié)合，協(xié)同解決了小分子熒光探針靶向性差和熒光蛋白穩(wěn)定性不足的問題，并且依靠對細(xì)胞器中標(biāo)志蛋白的融合達(dá)到對不同細(xì)胞器熒光標(biāo)記和超分辨成像的目的。前期工作中，該團(tuán)隊構(gòu)建的SNAP蛋白標(biāo)簽探針克服了傳統(tǒng)線粒體探針易受電位波動而脫靶的問題，實現(xiàn)了對線粒體的穩(wěn)定標(biāo)記和動態(tài)超分辨成像（Biosens. Bioelectron.，2021; Angew. Chem. Int. Ed.，2020）。然而，蛋白標(biāo)簽熒光探針依然面臨細(xì)胞滲透性差的問題，特別是探針在細(xì)胞內(nèi)局域分布使得單一探針難以具有對多種細(xì)胞器廣譜性標(biāo)記的性能。
針對此問題，該團(tuán)隊發(fā)展了具有“單體—二聚體—聚集體”多體系動態(tài)調(diào)控的SNAP蛋白標(biāo)簽探針BGAN-Aze，該探針在細(xì)胞外形成熒光淬滅的納米聚集體而具有快速穿透細(xì)胞膜和在細(xì)胞內(nèi)廣泛分布的能力，在細(xì)胞內(nèi)以單體的形式與目標(biāo)蛋白共價連接，并伴隨熒光的恢復(fù)，最終實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)多種細(xì)胞器選擇性熒光識別與細(xì)胞器亞結(jié)構(gòu)的動態(tài)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(wěn)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(xiàn)了對SNAP-tag蛋白高的熒光響應(yīng)倍數(shù)（約41倍）。通過質(zhì)譜、理論計算等，團(tuán)隊驗證了體系中二聚體形成的驅(qū)動力主要來自于兩分子間的范德華力。此外，研究發(fā)現(xiàn)BGAN-Aze為不帶電荷的中性分子，可保持高度的細(xì)胞滲透性與生物相容性，能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度下對細(xì)胞膜、線粒體、細(xì)胞核等多種細(xì)胞器亞結(jié)構(gòu)的長時間追蹤。在已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)中，典型進(jìn)展包括絲狀偽足的整個生長及相互作用過程，團(tuán)隊進(jìn)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(jiān)測了線粒體動態(tài)行為，揭示了線粒體脊的動態(tài)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(jiān)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(guān)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(fā)表在Aggregate上。該工作的第一作者為我所1818組已畢業(yè)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(xué)基金、所創(chuàng)新基金等項目的資助。（文/圖 喬慶龍）
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/agt2.258
