我國學者在熒光壽命多重成像領域取得進展

圖 tr-FPs熒光壽命調控機制及其在多重成像中的應用

　　在國家自然科學基金項目（批準號：22494700、22494702、22477102、82273257、32450793、22222410、22374148）等資助下，西湖大學張鑫團隊于2025年9月22日在《細胞》（Cell）期刊在線發表題為“Time-resolved fluorescent proteins expand fluorescent microscopy in temporal and spectral domains”的研究論文，論文鏈接為https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01027-X。該研究發展了一類新型時間分辨熒光蛋白（簡稱tr-FP），通過解析并調控這類蛋白的熒光壽命特性，破解了活體細胞多重成像的技術問題。

　　熒光顯微鏡已成為生命科學研究的核心工具，目前主流檢測方式為基于熒光強度的穩態成像，而時間分辨熒光（即熒光壽命）則為成像額外提供了光譜維度之外的關鍵信息維度。盡管熒光蛋白家族在光譜特性上覆蓋度已十分豐富，包含激發/發射波長、亮度、光穩定性等核心指標，但學界對熒光壽命的調控機制研究仍較為薄弱；同時，傳統光譜拆分方法在同步檢測超過6個靶標時會出現嚴重信號疊加，極大限制了多重成像的應用場景。相比之下，熒光壽命成像的核心優勢在于可在同一光譜通道內區分不同熒光分子，因此開發具備不同壽命特征的熒光蛋白，已成為突破活細胞多靶標成像限制的關鍵方向。

　　在本研究中，上述團隊圍繞可見光區（383~627 nm）熒光蛋白展開攻關，成功構建出新型時間分辨熒光蛋白家族（簡稱tr-FPs），其熒光壽命可在1~5 ns范圍內實現精確調控。通過分子動力學模擬，研究人員進一步揭示了其調控機制：發色團周圍氨基酸的定點突變可精準調控蛋白激發態下的構象變化，進而影響非輻射躍遷速率，最終實現對熒光壽命的有效調節。這一機制的闡明，為熒光蛋白的理性設計提供了核心理論依據。基于這一工具，團隊實現了在鐵死亡、氧化應激等條件下活細胞內9種不同靶蛋白的多重成像，并將傳統細胞周期檢測系統（Fucci）升級為僅需單一光譜通道的時間分辨Fucci技術（簡稱tr-Fucci），從而釋放其他通道用于觀測細胞活動。此外，團隊還將tr-FP與超分辨熒光壽命顯微技術結合，成功同步觀測活細胞中4種細胞器與骨架蛋白，并實現了細胞蛋白質化學計量比的定量分析。tr-FP的開發為熒光蛋白的設計與應用提供了重要方案，其不僅可拓展至各類基于熒光蛋白的技術中，還能通過提升系統復雜性與定量精度為生命科學研究帶來新機遇。