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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(tài)下亞細胞脂質(zhì)動態(tài)監(jiān)測的領域挑戰(zhàn)，首創(chuàng)了亞細胞光催化疊氮鄰近標記脂質(zhì)組學技術。這一技術通過高分辨質(zhì)譜驅(qū)動的原位脂質(zhì)組學分析，實現(xiàn)了線粒體、細胞核和溶酶體等關鍵細胞器的脂質(zhì)組成解析；發(fā)展了穩(wěn)定同位素示蹤-光催化鄰近標記聯(lián)用技術，完成了細胞器間脂質(zhì)運輸?shù)木珳识勘碚鳌?/span>

脂質(zhì)作為生命活動的核心物質(zhì)，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(huán)境與跨膜蛋白嵌入基質(zhì)，又廣泛參與信號轉(zhuǎn)導及能量儲存等生理過程，其功能實現(xiàn)與其在細胞內(nèi)的空間分布相關。細胞內(nèi)不同亞細胞結(jié)構通過獨特的脂質(zhì)組成，精準支持特定生化反應與功能需求。脂質(zhì)在細胞器間的有序轉(zhuǎn)運，更是維持細胞結(jié)構穩(wěn)定、能量代謝平衡及信號調(diào)控的核心環(huán)節(jié)。細胞器間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運失調(diào)會導致多種人類疾病。目前，如何在生理狀態(tài)下對亞細胞脂質(zhì)的分布特征、轉(zhuǎn)運路徑及代謝規(guī)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(jù)脂質(zhì)化學結(jié)構特點，設計并合成了適用于脂質(zhì)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(zhì)分子反應，得到光催化標記脂質(zhì)。團隊結(jié)合高分辨質(zhì)譜驅(qū)動的脂質(zhì)組學分析發(fā)現(xiàn)，該技術無需分離細胞器即可實現(xiàn)亞細胞定位脂質(zhì)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(zhì)，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(zhì)。免疫熒光共定位、傳統(tǒng)細胞器分離及基因敲除等生化實驗證實，該鄰近標記脂質(zhì)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(zhì)空間分布提供了技術工具。

細胞內(nèi)常見脂質(zhì)分子在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)從頭合成后，轉(zhuǎn)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(zhì)組學技術與穩(wěn)定同位素示蹤標記技術結(jié)合，發(fā)展出“鄰近標記+¹³C-同位素”雙標記策略，定量表征了脂質(zhì)分子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到線粒體、溶酶體、細胞核等亞細胞器的轉(zhuǎn)運規(guī)律，并定量分析了各種脂質(zhì)合成途徑和運輸途徑對特定細胞器脂質(zhì)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)向線粒體的轉(zhuǎn)運在1小時內(nèi)快速進行，且存在脂肪酰基鏈偏好性。連續(xù)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(zhì)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（CDP-Etn）與線粒體內(nèi)磷脂酰絲氨酸脫羧酶合成途徑（PSD）對多種細胞器內(nèi)磷脂酰乙醇胺脂質(zhì)的貢獻。結(jié)果表明，線粒體中磷脂酰乙醇胺類脂質(zhì)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(zhì)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?；湹牧字Ｒ掖及奉愔|(zhì)，PSD合成途徑則相反。進一步，該方法揭示脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白VPS13A和PDZD8在維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運中發(fā)揮關鍵作用，且具有脂肪?；溸x擇性。同時，該方法還發(fā)現(xiàn)，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(zhì)和磷脂酰絲氨酸類脂質(zhì)的含量，而不影響整個細胞內(nèi)脂質(zhì)含量，為細胞器介導的脂質(zhì)代謝研究提供了技術支撐。

上述研究開發(fā)了新的亞細胞定位光催化疊氮鄰近標記脂質(zhì)組學技術。該技術結(jié)合穩(wěn)定同位素示蹤與高分辨質(zhì)譜組學分析，突破了傳統(tǒng)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(zhì)組成及細胞器間脂質(zhì)轉(zhuǎn)運等時空動態(tài)變化規(guī)律。基于此，研究實現(xiàn)了對各類脂質(zhì)合成與運輸途徑如何貢獻于特定細胞器脂質(zhì)組成的系統(tǒng)性定量解析，為探討亞細胞層次的脂質(zhì)代謝規(guī)律及相關疾病機制提供了技術支撐。

相關研究成果發(fā)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(zhì)組學技術

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到線粒體的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運定量分析