一種新型探針來檢測線粒體電子流的開發(fā)與應用

線粒體不僅是細胞的能量工廠，還在細胞代謝、信號傳導和死亡中扮演著重要角色。線粒體電子流（Mito-EF）作為呼吸鏈中支持能量供應的關鍵組成部分，與腫瘤、炎癥和帕金森病等多種疾病的發(fā)生機制密切相關。不過盡管Mito-EF在調節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)和細胞發(fā)育方面發(fā)揮重要作用，但由于缺乏專門的工具，它在線粒體質量控制中的直接作用仍不明確。

由于電子作為基本粒子，缺乏化學可修飾特征，開發(fā)Mito-EF的分子探針頗具挑戰(zhàn)性。不過它在線粒體電子傳遞鏈中的活性與質子跨線粒體內膜（IMM）轉移的速率密切相關，故監(jiān)測線粒體內膜的質子變化可以反映Mito-EF的活性。然而，目前的質子探針通常定位在細胞器基質內，這限制了它們的應用。

為了應對這些挑戰(zhàn)，山東第一醫(yī)科大學陳啟鑫研究員領導的團隊開發(fā)出一種新型示蹤劑Mito-EFT，首次在單個線粒體水平觀察到Mito-EF，并監(jiān)測Mito-EF活性的動態(tài)變化。這種示蹤劑為評估線粒體質量和藥物篩選提供了有效工具。相關研究成果于2025年1月發(fā)表在《Advanced Science》雜志上。
 

研究材料與方法
在這項研究中，研究人員設計出一種Mito-EF示蹤劑（Mito-EFT），并利用來源于hUCMSC細胞的外泌體來包裝Mito-EFT。他們在HeLa細胞上開展了多項實驗，包括細胞毒性分析、耗氧率測定、共定位分析等。利用結構光照明顯微鏡（SIM），他們觀察了線粒體的結構和Mito-EFT的定位。他們還委托賽業(yè)生物敲除了HeLa細胞中的DRP1，以確定DRP1蛋白是否參與了Mito-EF重定位。

技術路線

設計Mito-EF特異性熒光探針，并評估其標記Mito-EF的能力
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評估線粒體形態(tài)與Mito-EFT信號之間的關系，并分析線粒體動態(tài)變化過程中的Mito-EF分布
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探究DRP1蛋白是否參與Mito-EF重定位，以及如何調節(jié)Mito-EF活性
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設計基于Mito-EF的熒光成像藥物篩選方法，并在小分子藥物上進行驗證

研究結果
Mito-EF特異性熒光探針的設計
研究人員以香豆素為基本骨架，基于正電荷和二乙氨基等結構設計出Mito-EFT探針。這種探針被包裝在外泌體內，以促進跨膜遞送并最大限度地減少細胞膜的熒光干擾（圖1）。在正電荷的引導和線粒體膜電位的吸引下，探針到達并停留在線粒體內膜上。通過二乙氨基對質子的響應，Mito-EFT探針可逆捕獲電子信號傳導，清晰地描繪出線粒體內膜上的Mito-EF活性（圖1）。
 

圖1. 響應線粒體電子流的熒光探針示意圖

他們發(fā)現，Mito-EFT對HeLa細胞的毒性影響可忽略不計。在進入細胞后，Mito-EFT利用其靶向線粒體嵴區(qū)域正電荷的能力，顯示出與線粒體特異性染料Mito-tracker的共定位。不過與Mito-tracker不同的是，Mito-EFT標記的紅色顆粒表現出不均勻的分布。這種定位模式在不同的細胞系中保持一致。這些結果證實了Mito-EFT能夠準確定位線粒體內膜區(qū)域，對目標測試對象做出響應。此外，Seahorse分析也證實了Mito-EFT與Mito-EF的可逆結合。

Mito-EF集中在線粒體裂變和融合位點
接下來，研究人員探究了線粒體形態(tài)與Mito-EFT信號之間的關系。他們假設，Mito-EFT的異質性分布可能與線粒體的形狀有關。為了驗證這一假設，他們用Mito-EFT和Mito-tracker對細胞進行了雙重染色分析。他們觀察到，Mito-EFT標記的熒光呈現出不規(guī)則分布。纖維狀健康線粒體內的熒光信號更高，而甜甜圈樣和圓形受損線粒體內的熒光分布較弱，表明受損線粒體的Mito-EF活性較低，而健康線粒體的Mito-EF活性較高。

為了探究線粒體動態(tài)變化過程中的Mito-EF分布，研究人員記錄了線粒體裂變和融合事件。值得注意的是，當Mito-tracker標記的單個線粒體分裂為兩個不同線粒體時，Mito-EF表現出不同的定位模式，其特點是信號集中在裂變位點（圖2A，紅色箭頭）。隨著裂變的進行，Mito-EFT從非裂變區(qū)域轉移至裂變區(qū)域，表現出強烈的熒光積累。在裂變結束后，Mito-EF活性下降。在線粒體融合過程中，融合位點觀察到Mito-EF活性增強。這些結果證實，Mito-EF聚集在高活性區(qū)域，特別是線粒體裂變和融合位點，在線粒體質量控制中發(fā)揮積極作用。
 

圖2. Mito-EF主要定位在線粒體裂變和融合位點

Mito-EF活性受到DRP1蛋白調控
眾所周知，參與線粒體質量控制的關鍵蛋白（比如DRP1）位于線粒體裂變位點，對線粒體穩(wěn)態(tài)有顯著影響。為了進一步探究DRP1蛋白是否參與了Mito-EF重定位，研究人員委托賽業(yè)生物敲除了HeLa細胞中的DRP1。在DRP1-KO細胞中，線粒體表現出過度融合的纖維狀形態(tài)。同時，DRP1-KO細胞中Mito-EFT標記的熒光信號顯著減少，而一些線粒體區(qū)域幾乎檢測不到Mito-EFT信號。這表明DRP1-KO改變了線粒體形態(tài)，并阻礙了Mito-EF的活性。

為了深入研究DRP1蛋白如何調控Mito-EF活性，他們假設DRP1的缺失可能會破壞線粒體嵴。他們觀察到，盡管傳統的形態(tài)評估工具顯示DRP1-KO線粒體向過度融合線粒體亞群轉變，但嵴結構幾乎不存在。由此可見，觀察線粒體形態(tài)的傳統方法無法捕捉活細胞中的微小變化，在表征線粒體質量和反映嵴結構方面存在局限性。這些結果也支持了Mito-EF信號與線粒體嵴之間的關聯，突出了Mito-EFT探針作為線粒體質量評估工具的潛力（圖3）。
 

圖3. 線粒體質量評估流程的示意圖

將Mito-EF應用于藥物篩選
考慮到形態(tài)學參數并不能反映線粒體內部的真實活力，研究人員引入了一種Mito-EF驅動的熒光成像藥物篩選方法。在使用一些代表性的氧化磷酸化抑制劑后，Mito-EFT表現出熒光抑制信號，其熒光變化與電子傳遞鏈的抑制順序密切相關。斑馬魚的成像實驗也證實了細胞成像結果。隨后，他們用這種方法篩選了13種小分子藥物。其中，木蘭花堿（Magnoflorine）對Mito-EFT的影響最為明顯，表明它有潛力作為線粒體靶向藥物�？傊�，他們引入了一種新型的藥物篩選方法（圖4）。

圖4. Mito-EF驅動的熒光成像藥物篩選方法示意圖

結論
這項研究引入了一種新方法，有助于了解Mito-EF如何調節(jié)線粒體質量控制。利用新開發(fā)的Mito-EF示蹤劑，研究人員揭示了Mito-EF維持線粒體穩(wěn)態(tài)背后的動態(tài)機制。這些發(fā)現加深了人們對Mito-EF動態(tài)的了解，為探索控制線粒體功能的復雜機制開辟了道路。這些研究還表明Mito-EFT是評估線粒體質量的可靠指標，優(yōu)于傳統的線粒體形態(tài)評估方法。

原文檢索
Ren Y, Wu LL, Song W, et al. Mitochondrial Electron Flow Dynamics Imaging for Assessing Mitochondrial Quality and Drug Screening. Adv Sci (Weinh). 2025 Jan 13: e2410561.