研究通過光催化疊氮鄰近標記實現亞細胞脂質動態追蹤

近日，中國科學院上海有機化學研究所朱正江團隊與陳以昀團隊，攻克了生理狀態下亞細胞脂質動態監測的領域挑戰，首創了亞細胞光催化疊氮鄰近標記脂質組學技術。這一技術通過高分辨質譜驅動的原位脂質組學分析，實現了線粒體、細胞核和溶酶體等關鍵細胞器的脂質組成解析；發展了穩定同位素示蹤-光催化鄰近標記聯用技術，完成了細胞器間脂質運輸的精準定量表征。

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，其功能實現與其在細胞內的空間分布相關。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。脂質在細胞器間的有序轉運，更是維持細胞結構穩定、能量代謝平衡及信號調控的核心環節。細胞器間脂質轉運失調會導致多種人類疾病。目前，如何在生理狀態下對亞細胞脂質的分布特征、轉運路徑及代謝規律進行精準測量，已成為生命科學領域亟待突破的課題。

合作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。團隊結合高分辨質譜驅動的脂質組學分析發現，該技術無需分離細胞器即可實現亞細胞定位脂質組的精準分析。利用此技術，團隊在線粒體、細胞核與溶酶體中分別鑒定出60至80種脂質，涵蓋磷脂酰乙醇胺、烯醚磷脂酰乙醇胺、溶血磷脂酰乙醇胺、溶血烯醚磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸、鞘氨醇及膽固醇等七類脂質。免疫熒光共定位、傳統細胞器分離及基因敲除等生化實驗證實，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技術工具。

細胞內常見脂質分子在內質網從頭合成后，轉運至線粒體和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定同位素示蹤標記技術結合，發展出“鄰近標記+¹³C-同位素”雙標記策略，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律，并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。具體而言，脈沖-追蹤實驗表明，磷脂酰絲氨酸由內質網向線粒體的轉運在1小時內快速進行，且存在脂肪酰基鏈偏好性。連續標記實驗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并利用一階速率方程，定量分析了內質網內CDP-ethanolamine合成途徑（CDP-Etn）與線粒體內磷脂酰絲氨酸脫羧酶合成途徑（PSD）對多種細胞器內磷脂酰乙醇胺脂質的貢獻。結果表明，線粒體中磷脂酰乙醇胺類脂質主要來源于PSD合成途徑，而細胞核與溶酶體中磷脂酰乙醇胺脂質主要來源于CDP-Etn合成途徑。線粒體中CDP-Etn合成途徑偏向貢獻含C18:1脂肪酰基鏈的磷脂酰乙醇胺類脂質，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發揮關鍵作用，且具有脂肪酰基鏈選擇性。同時，該方法還發現，mTOR激活可特異性提高溶酶體中膽固醇、磷脂酰乙醇胺類脂質和磷脂酰絲氨酸類脂質的含量，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技術支撐。

上述研究開發了新的亞細胞定位光催化疊氮鄰近標記脂質組學技術。該技術結合穩定同位素示蹤與高分辨質譜組學分析，突破了傳統方法的限制，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變化規律。基于此，研究實現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性定量解析，為探討亞細胞層次的脂質代謝規律及相關疾病機制提供了技術支撐。

相關研究成果發表在《自然-化學》（Nature Chemistry）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院等的支持。

論文鏈接

亞細胞定位光催化鄰近標記脂質組學技術

內質網到線粒體的脂質轉運定量分析