自噬是一種維持真核細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)和能量平衡的細(xì)胞過程。自噬功能異常與包括心血管疾病、癌癥、神經(jīng)退行性疾病、感染、肥胖在內(nèi)的多種疾病密切相關(guān)。因此,精準(zhǔn)成像自噬過程對(duì)于疾病診斷、病因理解、藥物開發(fā)等領(lǐng)域至關(guān)重要。盡管已經(jīng)開發(fā)了許多熒光探針用于自噬成像,但這些探針大多屬于環(huán)境響應(yīng)型探針,容易受到理化性質(zhì)的波動(dòng)或其它細(xì)胞過程的影響,為成像帶來不確定性。自噬的關(guān)鍵步驟是自噬體與溶酶體的融合,自噬體和溶酶體內(nèi)的成分由于融合而靠近。F?rster共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)是通過長(zhǎng)程偶極-偶極相互作用將供體激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移至臨近受體的過程,高度依賴于供、受體之間的空間距離和波長(zhǎng)的重疊程度。從空間角度來看,F(xiàn)RET策略非常適配成像自噬過程。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自噬成像,供、受體之間的高效結(jié)合是構(gòu)建FRET成像系統(tǒng)的關(guān)鍵,從而確保它們?cè)诳拷鼤r(shí)實(shí)現(xiàn)有效的能量轉(zhuǎn)移。此外,考慮到自噬過程涉及多種不同細(xì)胞器,設(shè)計(jì)一個(gè)能夠成像多種自噬過程的通用平臺(tái)能更好地滿足實(shí)際需求。
圖1. 成像細(xì)胞器自噬的大環(huán)兩親FRET平臺(tái)示意圖 近日,南開大學(xué)郭東升教授和中山大學(xué)陳洪中副教授合作報(bào)道了一種大環(huán)兩親分子構(gòu)建的FRET自噬成像平臺(tái)(圖1)。通過兩親磺化杯[6]芳烴(SC6A12C)與具有溶酶體靶向能力的N-十六烷基嗎啉(NCM)共組裝,形成超分子FRET載體SC6A12C/NCM(SN),以進(jìn)一步容納FRET供體和受體。9,10-雙(2-苯乙炔基)蒽烯(BPEA)作為FRET供體,被負(fù)載在SN的疏水區(qū)域,其熒光信號(hào)在致密的疏水區(qū)域中得到增強(qiáng)。得益于SC6A12C空腔的廣譜包結(jié)能力,三種商業(yè)化的細(xì)胞器探針(Mito-Tracker Red、ER Tracker Red和RhoNox-1)無需進(jìn)行額外的針對(duì)性修飾即可作為FRET受體進(jìn)行自噬成像。在自噬過程中,細(xì)胞內(nèi)主-客體復(fù)合物的形成有效激活了FRET信號(hào),成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體自噬過程的精準(zhǔn)成像。 圖2. 結(jié)合親和力的測(cè)定與體外FRET驗(yàn)證 熒光滴定實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,所構(gòu)筑的大環(huán)兩親FRET平臺(tái)對(duì)三種商業(yè)化的細(xì)胞器探針都表現(xiàn)出強(qiáng)的結(jié)合力。供體發(fā)射光譜與受體吸收光譜的重疊以及強(qiáng)有力的主-客體相互作用,使得FRET過程得以有效進(jìn)行,供受體之間的FRET效率可以達(dá)到80%(圖2)。這些結(jié)果展示了大環(huán)兩親FRET平臺(tái)成像多種細(xì)胞器自噬過程的潛力。 圖3. 不同細(xì)胞器自噬過程的成像 圖4. 不同自噬水平的成像 細(xì)胞成像結(jié)果顯示,大環(huán)兩親FRET平臺(tái)與不同的商業(yè)化細(xì)胞器特異性探針結(jié)合時(shí),即可有效地成像不同細(xì)胞器的自噬過程(圖3)。這表明大環(huán)兩親分子依賴非共價(jià)相互作用,即可得到適用于多種細(xì)胞器自噬成像的通用性平臺(tái),突出了大環(huán)兩親分子作為“具有主-客體識(shí)別位點(diǎn)的表面活性劑”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。更重要的是,大環(huán)兩親FRET平臺(tái)還能精準(zhǔn)地成像細(xì)胞不同水平的自噬(圖4)。 綜上所述,作者提出了一種利用大環(huán)兩親分子構(gòu)建FRET平臺(tái)進(jìn)行細(xì)胞器自噬成像的策略。這一策略獨(dú)特的主-客體絡(luò)合機(jī)制促進(jìn)了供體和受體分子的接近,有效激活了FRET信號(hào),成功實(shí)現(xiàn)了線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體三種關(guān)鍵細(xì)胞器自噬的精準(zhǔn)成像。該工作為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的細(xì)胞器自噬成像開辟了新的途徑。 論文信息 A FRET Autophagy Imaging Platform by Macrocyclic Amphiphile Ze-Tao Jiang, Jie Chen, Fang-Yuan Chen, Yuan-Qiu Cheng, Shun-Yu Yao, Rong Ma, Wen-Bo Li, Hongzhong Chen, Dong-Sheng Guo Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202420793