Nature Chemistry |?上海有機所在光催化疊氮鄰近標記實現(xiàn)亞細胞脂質動態(tài)追蹤研究取得新進展
近日，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心朱正江團隊與生命過程小分子調控全國重點實驗室陳以昀團隊于Nature Chemistry發(fā)表題為“Quantitative profiling of lipid transport between organelles enabled by subcellular photocatalytic labeling” 的研究 (DOI:10.1038/s41557-025-01886-w)。研究融合雙方優(yōu)勢（朱正江團隊：代謝組與脂質組學；陳以昀團隊：光催化鄰近標記技術），攻克生理狀態(tài)下亞細胞脂質動態(tài)監(jiān)測的領域挑戰(zhàn)。團隊首創(chuàng)“亞細胞光催化疊氮鄰近標記脂質組學技術”：通過高分辨質譜驅動的原位脂質組學分析，實現(xiàn)了線粒體、細胞核及溶酶體等關鍵細胞器的脂質組成解析；發(fā)展穩(wěn)定同位素示蹤-光催化鄰近標記聯(lián)用技術，完成了細胞器間脂質運輸?shù)木珳识勘碚鳌?/span>
圖1.亞細胞定位光催化鄰近標記脂質組學技術
脂質作為生命活動的核心物質，在細胞功能中扮演多重關鍵角色，既是細胞膜的基本組成，提供疏水隔離環(huán)境與跨膜蛋白嵌入基質，又廣泛參與信號轉導及能量儲存等生理過程，其功能實現(xiàn)與其在細胞內的空間分布密切相關。細胞內不同亞細胞結構通過獨特的脂質組成，精準支持特定生化反應與功能需求。而脂質在細胞器間的有序轉運，更是維持細胞結構穩(wěn)定、能量代謝平衡及信號調控的核心環(huán)節(jié)。細胞器間脂質轉運失調能導致多種人類重大疾病。如何在生理狀態(tài)下對亞細胞脂質的分布特征、轉運路徑及代謝規(guī)律進行精準測量，已成為當前生命科學領域亟待突破的重要課題。
朱正江和陳以昀合作研究團隊依據脂質化學結構特點，設計并合成了適用于脂質鄰近標記的小分子探針；進一步以具有細胞器特異性定位的小分子熒光染料作為光催化劑，在可見光照射下激活并催化標記探針，使其與特定細胞器中含親核基團（如氨基、羥基）的脂質分子反應，得到光催化標記脂質（Photocatalytically labelled lipids）。結合高分辨質譜驅動的脂質組學分析，該技術無需分離細胞器即可實現(xiàn)亞細胞定位脂質組的精準分析（圖 1）。利用此技術，研究團隊在線粒體、細胞核與溶酶體中分別鑒定出 60-80 種脂質，涵蓋磷脂酰乙醇胺（PE）、烯醚磷脂酰乙醇胺（PE (P)）、溶血磷脂酰乙醇胺（LPE）、溶血烯醚磷脂酰乙醇胺（LPE (P)）、磷脂酰絲氨酸（PS）、鞘氨醇（Sph）及膽固醇（Chol）等七類脂質。免疫熒光共定位、傳統(tǒng)細胞器分離及基因敲除等一系列生化實驗，證實該鄰近標記脂質組學技術具有較高的亞細胞定位特異性，為生理條件下解析亞細胞脂質空間分布提供了有力技術工具。
圖2. 內質網到線粒體的脂質轉運定量分析
細胞內常見脂質分子在內質網從頭合成后，轉運至線粒體、溶酶體等其他細胞器。為此，研究團隊將亞細胞鄰近標記脂質組學技術與穩(wěn)定同位素示蹤標記技術結合，發(fā)展出 “鄰近標記 +13C-同位素” 雙標記策略，系統(tǒng)定量表征了脂質分子從內質網到線粒體、溶酶體、細胞核等亞細胞器的轉運規(guī)律（包括轉運速率、周轉等），并首次定量分析了各種脂質合成途徑和運輸途徑對特定細胞器脂質組成的貢獻比例（圖 2）。具體而言，脈沖-追蹤實驗（Pulse-chase labeling）表明，磷脂酰絲氨酸（PS）由內質網向線粒體的轉運在1小時內快速進行，且存在脂肪?；溒眯浴６B續(xù)標記實驗（Continuous labeling）通過檢測多個時間點線粒體、細胞核、溶酶體中雙標記磷脂酰乙醇胺脂質（PL-13C-PE lipids），并利用一階速率方程定量分析了內質網內CDP-ethanolamine合成途徑（the CDP-Etn pathway）與線粒體內磷脂酰絲氨酸脫羧酶合成途徑（the PSD pathway）對多種細胞器內磷脂酰乙醇胺（PE）脂質的貢獻。研究結果表明，線粒體中PE類脂質主要來源于 PSD合成途徑，而細胞核與溶酶體中 PE 脂質主要來源于CDP-Etn合成途徑。值得注意的是，線粒體中CDP-Etn合成途徑偏向貢獻含C18:1脂肪?；湹?PE 類脂質，PSD合成途徑則相反。進一步，該方法揭示脂質轉運蛋白 VPS13A 和 PDZD8 在維持內質網與線粒體間脂質轉運中起關鍵作用，且具有脂肪酰基鏈選擇性。此外，該方法還發(fā)現(xiàn)，mTOR 激活可特異性提高溶酶體中膽固醇、PE類脂質 和 PS類脂質的含量，而不影響整個細胞內脂質含量，為細胞器介導的脂質代謝研究提供了有力技術支撐。
綜上，該研究開發(fā)了新型的亞細胞定位光催化疊氮鄰近標記脂質組學技術。該技術巧妙結合穩(wěn)定同位素示蹤與高分辨質譜組學分析，突破了傳統(tǒng)方法的限制，無需分離細胞器，即可在活細胞中精準測定不同細胞器的脂質組成及細胞器間脂質轉運等時空動態(tài)變化規(guī)律?；诖?，本研究首次實現(xiàn)了對各類脂質合成與運輸途徑如何貢獻于特定細胞器脂質組成的系統(tǒng)性定量解析，為深入探索亞細胞層次的脂質代謝規(guī)律及相關疾病機制提供了強大的技術支撐。
本研究論文的共同第一作者為中國科學院上海有機化學研究所博士后陳曦和該所與上?？萍即髮W聯(lián)合培養(yǎng)博士生賀茹。共同通訊作者為朱正江研究員和陳以昀研究員。論文的第一完成單位是中國科學院上海有機化學研究所。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、上海市科委等部門的經費支持。
Quantitative Profiling of Lipid Transport between Organelles Enabled by Subcellular Photocatalytic Labeling
Xi Chen?,Ru He?,Haolin Xiong,Ruohong Wang,Yandong Yin,Yiyun Chen*,and Zheng-Jiang Zhu*
Nat. Chem. 2025,doi:10.1038/s41557-025-01886-w
附件下載：
