在細胞的微觀世界中，線粒體如同精巧的發(fā)電站，通過調控在線粒體內膜（嵴）上的化學反應為生命活動提供必需的能量。然而，這些細胞內的微小細胞器不僅關乎能量轉換，更與細胞的生長、穩(wěn)定、信號傳導、甚至細胞凋亡等息息相關。線粒體這些重要而又獨特的性質源于線粒體內膜包裹的專屬遺傳信息-線粒體DNA（mtDNA）?？茖W家渴望進一步探究mtDNA在線粒體網絡結構中的分布規(guī)律、mtDNA與線粒體嵴相互作用關系。北京大學未來技術學院席鵬團隊與合作者通過開發(fā)一種新型熒光探針HBmito Crimson，為我們揭開了線粒體嵴與其內部DNA（mtDNA）之間神秘互動的面紗，相關工作發(fā)表于Light: Science and Applications。

圖形摘要

在細胞內部，線粒體作為細胞的“發(fā)電站”，扮演著至關重要的角色，不僅負責能量的產生，還涉及細胞的增殖、穩(wěn)態(tài)維持以及調控細胞凋亡等關鍵信號通路。線粒體嵴作為內膜的一部分，其結構細微且復雜，對于維持線粒體功能至關重要。而線粒體自帶遺傳密碼，類似人體中的一個器官但具有獨立的DNA，因此其來源與功能就顯得更加神秘。線粒體DNA（mtDNA）位于線粒體基質中，包含37個基因以及編碼14種線粒體相關蛋白，在ATP的生產中扮演了重要作用。mtDNA由蛋白質包裝形成類核，由于線粒體嵴作為屏障，類核的運動在線粒體中受到限制。嵴重塑參與下的線粒體融合和裂變對于mtDNA的分布和維持至關重要。然而，在這個過程中，嵴排布的動態(tài)特性促進mtDNA在整個線粒體網絡中分布的機制仍然未被充分探索。

線粒體的直徑一般在500納米左右，嵴間距一般小于70納米，傳統(tǒng)顯微鏡技術沒有辦法觀察到該動態(tài)過程。超分辨顯微鏡，特別是受激輻射損耗超分辨顯微鏡（STED）的發(fā)展，使得線粒體嵴的動態(tài)可視化成為可能，該技術提供的空間和時間分辨率分別約為50納米和每秒1幀。然而，STED需要高強度的損耗光束來提升分辨率，要求標記染料在特異性靶向線粒體內膜的情況下，同時具有高亮度和高受激發(fā)射截面（即低飽和功率）的特點。傳統(tǒng)的線粒體內膜標記染料在STED下只能維持幾幀，新開發(fā)的一些染料在動態(tài)成像時間尺度上也滿足不了觀察需求。

在這一研究領域，北京大學與河北大學的聯合研究團隊開發(fā)了一種名為HBmito Crimson的新型熒光探針（其中HB一語雙關，既代表超分辨染料的重要特性高亮度High-Brightness，也代表染料發(fā)明地河北HeBei）。該探針具有高亮度，卓越的光穩(wěn)定性、脂膜熒光性和低STED飽和功率等特點。利用這種探針，研究團隊成功實現了超過500幀的連續(xù)低功率成像，以40納米的空間分辨率觀察了內膜動態(tài)（圖1）。

圖1 用HBmito Crimson染色的線粒體內膜多維成像結果。（a）共聚焦，STED和STED反卷積結果對比展示；（b）線粒體連續(xù)長時程成像，成像幀數500幀；（c）線粒體的3D-STED成像

通過使用HBmito Crimson和SYBR Gold對內膜和mtDNA進行了延時雙色STED/共聚焦成像，發(fā)現mtDNA在整體均勻分布的情況下傾向于在線粒體的尖端或分支點聚集。線粒體和相互連接的線粒體網絡之間mtDNA分布存在差異，說明不同大小的線粒體可能發(fā)揮不同的功能。在線粒體動態(tài)過程中（圖2），觀察到線粒體網絡是通過融合事件和新分支的產生而形成的，并且作者首次可視化了在線粒體形成分支時的嵴動態(tài)和mtDNA分布變化。有趣的是，作者發(fā)現融合事件往往發(fā)生在mtDNA附近，可能因為mtDNA所在的嵴簇之間的空隙基質密度較低，嵴排列松散，嵴重塑過程中受到的壓力較小。這種密切關聯可能還使得mtDNA在融合過程中能夠在不同的線粒體之間有效傳輸。此外，對線粒體分裂的觀察揭示了mtDNA復制和分裂位點之間的空間聯系，從而使遺傳物質能夠在整個線粒體網絡中正確分離和均勻分布。

圖2 與mtDNA相關的線粒體動力學成像。（a）卡通展示mtDNA傾向于分布在尖端和分支點；（b）分支點處存在mtDNA和不存在mtDNA時的情況；（c）線粒體融合形成分支點；（d）新分支的出現形成分支點；（e）線粒體分支上的mtDNA移動到分支點；（f，g）線粒體融合中的嵴動態(tài)展示

mtDNA在維持嵴結構中起著重要作用。反之，維持mtDNA分布也需要正常的嵴動力學。在細胞凋亡和鐵死亡的情況下，嵴結構被破壞，導致mtDNA分布紊亂。作者觀察到了細胞凋亡后期內膜疝出和mtDNA逃逸的動態(tài)過程，以及鐵死亡時線粒體的皺縮、碎片化以及mtDNA的會聚，反映了與細胞死亡模式相關的明顯形態(tài)變化和線粒體損傷。

綜上所述，這一研究結果以40nm的超高時空分辨率揭示了線粒體膜動態(tài)與mtDNA分布之間錯綜復雜的關系。先進成像技術與新型線粒體內膜探針的結合，使得活細胞STED低光毒性成像成為可能，并展示了新技術在下一代線粒體研究中的巨大潛力。理解這些機制將有助于揭示線粒體在細胞生理學、人類疾病和衰老中的作用。

北京大學未來技術學院博士生任偉、河北大學化學與材料科學學院碩士生蓋希川為共同第一作者。席鵬、河北大學化學與材料科學學院高保祥教授、北京大學生命科學學院單春燕高級工程師為本文的共同通訊作者。

本工作受到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金的支持，也得到北京大學國家蛋白質科學中心、Abberior中國公司和光飛納科技公司的幫助。HBmito Crimson探針產品目前由MedChemExpress (MCE)公司負責產品推廣。

來源：北京大學