《艳肉乱痕》 全本

《艳肉乱痕》 全本:我院在生物分子动力学荧光成像领域取得新进展

时间:2020-08-25   浏览:10

观测活细胞内生物大分子的动力学过程和信号小分子对生物大分子的调控作用对于探索生理病理新机制及疾病治疗新方法具有重要的科学意义。尽管荧光超分辨显微及电镜技术取得了飞速的进步,但是理解细胞内(包括特定细胞器内)分子相互作用及其调控行为仍然是一项长期存在的挑战。光学探针作为活细胞显微研究的“眼睛”,为探究细胞内生物分子动力学提供了有力工具,然而其关键的困难在于:(1)缺乏对多重目标的定位能力;(2)缺乏有效的光谱区分能力;(3)难以满足超分辨荧光显微成像对光稳定性及波长的要求。同时实现荧光显微和电镜的关联对生物大分子精细结构的研究也是光学探针面临的难题。

我院张忠平课题组(张瑞龙、田肖和、韩光梅、刘正杰),针对上述关键科学问题,通过设计一系列多响应、多重定位的新型光学探针,实现了活细胞内信号分子对蛋白/酶活性的调控以及遗传物质动力学的分子影像分析,在理解细胞内生物分子动力学领域取得了重要科学发现,近来连续在Angew. Chem.Adv. Mater.发表论文4篇(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2261–2265(《艳肉乱痕》 全本化学化工学院和物科院第一单位); Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7087–7091(中科院合肥智能所第一单位,《艳肉乱痕》 全本化学化工学院和物科院第三单位); Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202005959(《艳肉乱痕》 全本化学化工学院和物科院第一单位); Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.202003901(《艳肉乱痕》 全本生科院第一单位,《艳肉乱痕》 全本物科院第三单位))。代表性进展简要介绍如下:

1、气体信号分子对细胞内酶活性的调控

酶是生命体新陈代谢的物质基。币彩窍赴藕糯嫉墓丶肿樱ɡ缌姿崦福。然而,细胞内酶的活性是随着细胞生命活动的需要发生动态变化,这种引发酶活性的启动机制仍然是不清楚的。研究人员设计合成了一种能对磷酸酶和信号小分子产生不同荧光响应的单分子荧光探针,使用共聚焦的多通道成像技术并结合共振能量转移的光谱影像分析,实现了细胞内硫化氢对磷酸酶活性调节的实时观测。当细胞处于氧应激状态时(硫化氢水平低于正常水平),磷酸酶活性大大降低,而细胞硫化氢水平增加超过正常水平时,磷酸酶活性也会大大降低,从而揭示了磷酸酶活性与硫化氢水平的相关性及细胞生理状态下硫化氢水平的临界值 (https://doi.org/10.1002/anie.201811391)。

2、超分辨成像揭示活性氧调控线粒体核蛋白动力学

线粒体是细胞的能量工厂,作为细胞中最复杂的细胞器,线粒体自身含有遗传物质核酸,并且能够与蛋白形成核蛋白复合物,在控制线粒体的复制、衰老以及蛋白质表达中起着重要的作用。研究人员设计合成了一种能够专属性定位线粒体的荧光探针,进入线粒体能够与蛋白质和核酸结合,同时与双氧水发生反应,这三种相互作用产生了不同的光谱响应,通过STED超分辨成像,发现线粒体蛋白和核酸在嵴上结合形成核蛋白,并且结合率高达65%。当细胞内外源和内源性双氧水水平升高时,蛋白与核酸的结合率都会迅速下降,首次发现线粒体能量代谢产生的双氧水参与了核蛋白动力学的调控(图1),为理解线粒体生理学提供了新的思路(https://doi.org/10.1002/anie.202005959)。

3、膜穿透性碳点对活体内DNARNA结构及动力学的超分辨影像分析

DNARNA是细胞内最重要的遗传物质,表达了细胞内几乎所有蛋白质,因此实时监测活细胞中DNARNA结构的动态变化对理解基因表达和遗传疾病等具有重要意义。研究人员设计合成了一种膜穿透性碳点(cQD),与DNARNA以不同的方式结合,分别发射出绿色和红色荧光(图2)。同时,碳点的光稳定性能够满足长时间超分辨成像要求,以实现对活细胞中DNARNA结构变化的实时监测。更为重要的是,该碳点可以直接穿过肠道、性腺等一系列组织器官水平的生物膜屏障,实现活的线虫体内生殖细胞DNARNA的直接原位成像分析,为基础细胞生物学和胚胎学研究提供了有利的工具(https://doi.org/10.1002/anie.201903005)。

4、超分辨STED和电镜关联成像对细胞微管蛋白超精细结构的分析

电镜作为分辨率最高的成像手段不能直接用于活细胞成像,但是近年来发展的激光共聚焦超分辨成像技术不仅具有较高的分辨率还能应用于活细胞,如何将融合二者的优点并进行关联成像具有十分重要的意义,也是当前面临的重要挑战之一。研究人员设计合成了一个多功能的环金属铱配合物,不仅能够特异性地结合微管蛋白,而且提高了荧光强度和电镜衬度,使该化合物同时具有超分辨STED和透射电镜成像的能力。通过超分辨STED和透射电镜关联成像对细胞微管蛋白的超精细结构进行观测,结果表明微管蛋白单体的间距约为4.1? (https://doi.org/10.1002/adma.202003901)。

1. 细胞内外源(a, b)和内源性(c, d)双氧水对线粒体核蛋白动力学的调控

 

2. 膜穿透性碳点对细胞DNARNA的超分辨成像和活体内核酸动力学的影像分析


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