分享一篇發(fā)表在Nature上的文章。文章的題目是哺乳動物細胞中脂質(zhì)轉(zhuǎn)運的定量成像。文章的作者是來自德國馬克斯·普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所的André Nadler和Alf Honigmann教授。這兩個課題組研究方向包括膜脂質(zhì)化學生物學、超高分辨顯微鏡以及熒光成像等。
真核細胞產(chǎn)生1,000多種不同的脂質(zhì)物種，這些脂質(zhì)可以調(diào)節(jié)細胞器膜特性、控制信號傳導和儲存能量。由于細胞中的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運難以成像，脂質(zhì)種類如何在細胞器之間被選擇性分選以維持特定的膜特性，目前仍不清楚。
為了實現(xiàn)不同脂質(zhì)物種的高分辨熒光成像和質(zhì)譜檢測，作者在脂質(zhì)的烷基側(cè)鏈引入雙吖丙啶和炔烴，合成了一個雙功能脂質(zhì)探針庫，涵蓋四種不同的脂質(zhì)類別：磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酸（PA）、磷脂酰乙醇胺（PE）和鞘磷脂（SM）。
本研究通過α-甲基環(huán)糊精介導的脂質(zhì)交換，將脂質(zhì)探針特異性插入U2OS細胞質(zhì)膜（PM）外葉，實現(xiàn)了脂質(zhì)在PM處的明確初始定位。利用含雙吖丙啶官能團的雙功能脂質(zhì)探針，結(jié)合時間序列（0-24小時）的光交聯(lián)、點擊化學熒光標記與共聚焦成像，追蹤了脂質(zhì)的逆行轉(zhuǎn)運。通過超高分辨率質(zhì)譜區(qū)分探針與天然脂質(zhì)，并利用Ilastik軟件對共聚焦圖像進行像素分類，將熒光信號定量分配至PM、高爾基體（Golgi）、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）、內(nèi)體（endosomes）及線粒體（mito）等特定細胞器，最終建立了可同時量化脂質(zhì)細胞器間轉(zhuǎn)運過程及其代謝轉(zhuǎn)化的成像分析流程。
本研究發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)脂質(zhì)逆行轉(zhuǎn)運主要依賴非囊泡途徑，其速率可達囊泡轉(zhuǎn)運的11倍，且表現(xiàn)出顯著的脂質(zhì)選擇性：多不飽和PC、PE等脂質(zhì)轉(zhuǎn)運較快，而飽和PC和SM則較慢。結(jié)構(gòu)-功能分析表明，脂酰鏈不飽和度是影響非囊泡轉(zhuǎn)運速率的關(guān)鍵因素，sn-2位雙鍵的存在進一步加速轉(zhuǎn)運。
在穩(wěn)態(tài)下，不同脂質(zhì)在細胞器間呈現(xiàn)顯著分布差異：SM和飽和PC（如Y/16:0）主要富集于PM，而多不飽和PC和PE則優(yōu)先定位于ER。這種分布與細胞器間已知的脂質(zhì)濃度梯度一致，并提示存在定向的非囊泡脂質(zhì)轉(zhuǎn)運機制。盡管膽固醇、PA和PS的定向轉(zhuǎn)運可由磷脂酰肌醇4-磷酸反轉(zhuǎn)運驅(qū)動，但其他脂質(zhì)的定向動力仍不明確。作者提出一種可能的機制：被動非囊泡轉(zhuǎn)運可能與P4-ATP酶催化的脂質(zhì)跨膜翻轉(zhuǎn)相耦合，從而直接或間接地利用跨膜濃度梯度驅(qū)動脂質(zhì)定向運輸。作者敲低了PM翻轉(zhuǎn)酶的關(guān)鍵亞基TMEM30A，發(fā)現(xiàn)PE從PM向ER的轉(zhuǎn)運速度降低了三倍，且其在PM中的穩(wěn)態(tài)分布顯著增強，表明ATP依賴的脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)與非囊泡轉(zhuǎn)運在功能上耦合。相比之下，TMEM30A敲低對PC物種的轉(zhuǎn)運影響較小。這些結(jié)果表明，盡管脂質(zhì)交換持續(xù)進行，膜小葉間脂質(zhì)的主動翻轉(zhuǎn)與脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白的選擇性轉(zhuǎn)運共同作用，協(xié)同建立并維持了細胞器膜組成的差異性和特異性。
為了比較脂質(zhì)代謝與轉(zhuǎn)運在維持細胞器脂質(zhì)組成中的相對作用，作者通過超高分辨率質(zhì)譜分析了雙功能脂質(zhì)探針的周轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)化。結(jié)果顯示，所有脂質(zhì)的代謝速率均比從質(zhì)膜到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的非囊泡轉(zhuǎn)運慢10–60倍，且多不飽和PC代謝快于飽和PC，PA和PE快于相應(yīng)PC，而SM基本穩(wěn)定。值得注意的是，盡管存在速率差異，PC物種的轉(zhuǎn)運與代謝速率高度相關(guān)，提示其生物物理特性或直接的功能偶聯(lián)可能共同影響脂質(zhì)命運。
總之，本研究通過時間分辨熒光成像、超高分辨率質(zhì)譜與數(shù)學建模相結(jié)合，系統(tǒng)量化了哺乳動物細胞中單個脂質(zhì)物種的逆行轉(zhuǎn)運與代謝過程。結(jié)果表明，定向非囊泡脂質(zhì)轉(zhuǎn)運是實現(xiàn)快速、高選擇性脂質(zhì)分選的主要機制，其效率顯著高于緩慢且非特異性的囊泡運輸。本研究首次提供了細胞內(nèi)逆行脂質(zhì)通量的定量圖譜，所建立的在物理與化學維度追蹤脂質(zhì)通量的方法體系，將為細胞生物學和疾病中脂質(zhì)功能的研究提供有力支持。
本文作者：THT
責任編輯：TZS
DOI：10.1038/s41586-025-09432-x
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09432-x
