近日，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心朱正江團(tuán)隊(duì)與生命過(guò)程小分子調(diào)控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳以昀團(tuán)隊(duì)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(shì)（朱正江團(tuán)隊(duì)：代謝組與脂質(zhì)組學(xué)；陳以昀團(tuán)隊(duì)：光催化鄰近標(biāo)記技術(shù)），攻克生理狀態(tài)下亞細(xì)胞脂質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)“亞細(xì)胞光催化疊氮鄰近標(biāo)記脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)”：通過(guò)高分辨質(zhì)譜驅(qū)動(dòng)的原位脂質(zhì)組學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了線粒體、細(xì)胞核及溶酶體等關(guān)鍵細(xì)胞器的脂質(zhì)組成解析；發(fā)展穩(wěn)定同位素示蹤-光催化鄰近標(biāo)記聯(lián)用技術(shù)，完成了細(xì)胞器間脂質(zhì)運(yùn)輸?shù)木珳?zhǔn)定量表征。
圖1.亞細(xì)胞定位光催化鄰近標(biāo)記脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)
脂質(zhì)作為生命活動(dòng)的核心物質(zhì)，在細(xì)胞功能中扮演多重關(guān)鍵角色，既是細(xì)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(zhì)，又廣泛參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及能量?jī)?chǔ)存等生理過(guò)程，其功能實(shí)現(xiàn)與其在細(xì)胞內(nèi)的空間分布密切相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)通過(guò)獨(dú)特的脂質(zhì)組成，精準(zhǔn)支持特定生化反應(yīng)與功能需求。而脂質(zhì)在細(xì)胞器間的有序轉(zhuǎn)運(yùn)，更是維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能量代謝平衡及信號(hào)調(diào)控的核心環(huán)節(jié)。細(xì)胞器間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)失調(diào)能導(dǎo)致多種人類(lèi)重大疾病。如何在生理狀態(tài)下對(duì)亞細(xì)胞脂質(zhì)的分布特征、轉(zhuǎn)運(yùn)路徑及代謝規(guī)律進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，已成為當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域亟待突破的重要課題。
朱正江和陳以昀合作研究團(tuán)隊(duì)依據(jù)脂質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并合成了適用于脂質(zhì)鄰近標(biāo)記的小分子探針；進(jìn)一步以具有細(xì)胞器特異性定位的小分子熒光染料作為光催化劑，在可見(jiàn)光照射下激活并催化標(biāo)記探針，使其與特定細(xì)胞器中含親核基團(tuán)（如氨基、羥基）的脂質(zhì)分子反應(yīng)，得到光催化標(biāo)記脂質(zhì)（Photocatalytically labelled lipids）。結(jié)合高分辨質(zhì)譜驅(qū)動(dòng)的脂質(zhì)組學(xué)分析，該技術(shù)無(wú)需分離細(xì)胞器即可實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞定位脂質(zhì)組的精準(zhǔn)分析（圖?1）。利用此技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在線粒體、細(xì)胞核與溶酶體中分別鑒定出?60-80?種脂質(zhì)，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(lèi)脂質(zhì)。免疫熒光共定位、傳統(tǒng)細(xì)胞器分離及基因敲除等一系列生化實(shí)驗(yàn)，證實(shí)該鄰近標(biāo)記脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)具有較高的亞細(xì)胞定位特異性，為生理?xiàng)l件下解析亞細(xì)胞脂質(zhì)空間分布提供了有力技術(shù)工具。
圖2.?內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到線粒體的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)定量分析
細(xì)胞內(nèi)常見(jiàn)脂質(zhì)分子在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)從頭合成后，轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體、溶酶體等其他細(xì)胞器。為此，研究團(tuán)隊(duì)將亞細(xì)胞鄰近標(biāo)記脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)與穩(wěn)定同位素示蹤標(biāo)記技術(shù)結(jié)合，發(fā)展出 “鄰近標(biāo)記?+13C-同位素” 雙標(biāo)記策略，系統(tǒng)定量表征了脂質(zhì)分子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到線粒體、溶酶體、細(xì)胞核等亞細(xì)胞器的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律（包括轉(zhuǎn)運(yùn)速率、周轉(zhuǎn)等），并首次定量分析了各種脂質(zhì)合成途徑和運(yùn)輸途徑對(duì)特定細(xì)胞器脂質(zhì)組成的貢獻(xiàn)比例（圖?2）。具體而言，脈沖-追蹤實(shí)驗(yàn)（Pulse-chase labeling）表明，磷脂酰絲氨酸（PS）由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)在1小時(shí)內(nèi)快速進(jìn)行，且存在脂肪?；溒眯?。而連續(xù)標(biāo)記實(shí)驗(yàn)（Continuous labeling）通過(guò)檢測(cè)多個(gè)時(shí)間點(diǎn)線粒體、細(xì)胞核、溶酶體中雙標(biāo)記磷脂酰乙醇胺脂質(zhì)（PL-13C-PE lipids），并利用一階速率方程定量分析了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)CDP-ethanolamine合成途徑（the CDP-Etn pathway）與線粒體內(nèi)磷脂酰絲氨酸脫羧酶合成途徑（the PSD pathway）對(duì)多種細(xì)胞器內(nèi)磷脂酰乙醇胺（PE）脂質(zhì)的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，線粒體中PE類(lèi)脂質(zhì)主要來(lái)源于?PSD合成途徑，而細(xì)胞核與溶酶體中?PE?脂質(zhì)主要來(lái)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(xiàn)含C18:1脂肪酰基鏈的?PE?類(lèi)脂質(zhì)，PSD合成途徑則相反。進(jìn)一步，該方法揭示脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白?VPS13A?和?PDZD8?在維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中起關(guān)鍵作用，且具有脂肪?；溸x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(lèi)脂質(zhì) 和?PS類(lèi)脂質(zhì)的含量，而不影響整個(gè)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)含量，為細(xì)胞器介導(dǎo)的脂質(zhì)代謝研究提供了有力技術(shù)支撐。
綜上，該研究開(kāi)發(fā)了新型的亞細(xì)胞定位光催化疊氮鄰近標(biāo)記脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)。該技術(shù)巧妙結(jié)合穩(wěn)定同位素示蹤與高分辨質(zhì)譜組學(xué)分析，突破了傳統(tǒng)方法的限制，無(wú)需分離細(xì)胞器，即可在活細(xì)胞中精準(zhǔn)測(cè)定不同細(xì)胞器的脂質(zhì)組成及細(xì)胞器間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律?；诖?，本研究首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類(lèi)脂質(zhì)合成與運(yùn)輸途徑如何貢獻(xiàn)于特定細(xì)胞器脂質(zhì)組成的系統(tǒng)性定量解析，為深入探索亞細(xì)胞層次的脂質(zhì)代謝規(guī)律及相關(guān)疾病機(jī)制提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
本研究論文的共同第一作者為中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所博士后陳曦和該所與上海科技大學(xué)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(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院、上海市科委等部門(mén)的經(jīng)費(fèi)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
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