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摘要溶酶體作為細(xì)胞的“化工廠”與“信號樞紐”,其功能高度依賴于腔內(nèi)pH的精確調(diào)控。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為,溶酶體是均質(zhì)的酸性細(xì)胞器(pH=4.5至5.0),然而,近年研究提示其存在功能異質(zhì)性。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日,大連化物所生物技術(shù)研究部分子探針與熒光成像研究組(1818組)徐兆超研究員團(tuán)隊發(fā)展雙色單分子閃爍比率成像技術(shù)(2C-SMBR),在單溶酶體水平同步實現(xiàn)納米級結(jié)構(gòu)成像與腔內(nèi)pH準(zhǔn)確定量。
 
  溶酶體作為細(xì)胞的“化工廠”與“信號樞紐”,其功能高度依賴于腔內(nèi)pH的精確調(diào)控。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為,溶酶體是均質(zhì)的酸性細(xì)胞器(pH=4.5至5.0),然而,近年研究提示其存在功能異質(zhì)性。例如,黑色素細(xì)胞中的黑素體、免疫細(xì)胞中的分泌性溶酶體均具有獨特的pH特征,甚至同一細(xì)胞內(nèi)的經(jīng)典溶酶體也可能因空間位置、運動狀態(tài)差異而承擔(dān)不同功能。
 
  解析上述異質(zhì)性的核心挑戰(zhàn)在于技術(shù)手段的缺失——傳統(tǒng)群體測量方法(例如熒光探針比率成像)只能提供細(xì)胞器群體的平均pH值,無法揭示單溶酶體水平的動態(tài)差異;而基于單分子定位的超分辨成像雖能追蹤單個溶酶體的運動與形態(tài),卻難以同步測試腔內(nèi)pH。徐兆超團(tuán)隊此前開發(fā)的LysoSR-549探針(Angew. Chem. Int. Ed.,2022)和Aze-HMSiR(Angew. Chem. Int. Ed.,2025),可通過pH依賴的自發(fā)閃爍特性,在單溶酶體水平關(guān)聯(lián)動態(tài)行為與相對pH變化。然而,其依賴單色熒光光子數(shù)的測量方法易受實驗條件(如激發(fā)光強(qiáng)度、探針負(fù)載量)等環(huán)境因素影響,導(dǎo)致單個溶酶體中pH測量不夠準(zhǔn)確。
 
  在本工作中,研究團(tuán)隊發(fā)展的2C-SMBR技術(shù)基于兩種pH響應(yīng)特性互補(bǔ)的自發(fā)閃爍熒光探針:通過單分子定位顯微術(shù)(SMLM)分別解析兩種探針的空間分布,可重建溶酶體的納米級結(jié)構(gòu)(分辨率10nm);同時,利用雙色探針閃爍動態(tài)的比率分析(如頻率、持續(xù)時間等參數(shù)),消除探針濃度、光漂白等干擾因素,實現(xiàn)單溶酶體pH的精準(zhǔn)定量。該技術(shù)將單分子定位的超高空間分辨率與比率分析的抗干擾性相結(jié)合,傳統(tǒng)方法依賴雙色信號的空間疊加,而2C-SMBR通過時間分辨的單分子事件關(guān)聯(lián),確保信號源自同一溶酶體,從而在納米尺度上同步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)成像與功能量化。該技術(shù)pH測量動態(tài)范圍可擴(kuò)展至4.0至6.0,為活細(xì)胞器功能異質(zhì)性研究提供了兼具精度與可靠性的新工具。
 
  團(tuán)隊?wèi)?yīng)用2C-SMBR技術(shù),取得了一系列新發(fā)現(xiàn):首先,溶酶體pH在單細(xì)胞水平呈現(xiàn)高度異質(zhì)性,單個細(xì)胞內(nèi)同時存在pH跨度達(dá)2.0的溶酶體亞群(pH=4.0至6.0),其中核周溶酶體平均pH為4.88,而外圍溶酶體平均pH達(dá)5.64,且高pH溶酶體運動速度更快、更易形成動態(tài)簇集;其次,溶酶體動態(tài)行為與pH變化存在實時耦合,單個溶酶體的pH實時發(fā)生動態(tài)波動,溶酶體運動停頓過程可能擔(dān)任溶酶體pH變化的拐點。此外,當(dāng)細(xì)胞堿化后大部分外圍溶酶體會向核周中心體附近聚集形成新的亞群。
 
  相關(guān)研究成果以“Two-Color Single-Molecule Blinking Ratiometricity: A Functional Super-Resolution Imaging Approach for Resolving Lysosomal pH and Dynamics”為題,發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上。該工作的第一作者是我所1818組喬慶龍副研究員。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃、我所創(chuàng)新基金等項目資助。(文/圖 喬慶龍、徐兆超)

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