Nature：解决真正的难题！对细胞中的脂质进行成像

单脂质成像新技术：众所周知，脂质很难用光学显微镜检测。德累斯顿团队利用一种新的化学标记策略克服了这一限制，从而对特定脂质的位置及其在细胞内的运输方式有了新的认识。脂质流动图：研究人员利用这种新的脂质成像方法解答了细胞如何将特定脂质运输到靶细胞器膜这一长期存在的问题。研究表明，蛋白质进行的非囊泡脂质运输是维持特定细胞器膜组成的主要机制。了解脂质在疾病中的作用：脂质失衡在多种代谢或神经退行性疾病中发挥作用。新的脂质成像技术将有助于了解脂质运输在健康和疾病中的作用。鉴定参与选择性脂质运输的蛋白质可以加速进一步发现脂质相关疾病的新药物靶点。

研究重点：  

单一脂质成像新技术：众所周知，脂质很难用光学显微镜检测。一个研究团队利用一种新的化学标记策略克服了这一限制，从而对特定脂质的位置及其在细胞内的运输方式有了新的认识。

脂质流动图谱：研究人员利用这种新的脂质成像方法，解答了细胞如何将特定脂质运输至靶细胞器膜这一长期存在的问题。研究表明，通过蛋白质进行的非囊泡脂质运输是维持特定细胞器膜组成的主要机制。

了解脂质在疾病中的作用：脂质失衡在多种代谢性疾病或神经退行性疾病中发挥作用。新的脂质成像技术将有助于了解脂质转运在健康和疾病中的作用。鉴定参与选择性脂质转运的蛋白质可以加速进一步发现脂质相关疾病的新药物靶点。

---

脂质分子，或称脂肪，对所有生命形式都至关重要。细胞需要脂质来构建细胞膜、分离和组织生化反应、储存能量以及传递信息。每个细胞都能产生数千种不同的脂质，当它们失去平衡时，就会引发代谢性疾病和神经退行性疾病。细胞如何在细胞器之间对不同类型的脂质进行分类以维持每个细胞膜的组成，目前尚不清楚。一个主要原因是脂质难以研究，因为迄今为止还缺乏能够精确追踪其在细胞内位置的显微镜技术。

在长期合作中，德国德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所 (MPI-CBG) 的化学生物学家André Nadler与德累斯顿工业大学生物技术中心(BIOTEC)的生物成像专家Alf Honigmann联手开发了一种使用标准荧光显微镜可视化细胞内脂质的方法。在首次成功验证概念后，两人邀请了质谱专家Andrej Shevchenko (MPI-CBG)、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心 (HZDR)的Björn Drobot和布拉格J. Heyrovsky 物理化学研究所的  Martin Hof团队共同研究脂质如何在细胞器之间运输。

紫外线处理后的人工脂质

“我们的项目始于合成一组经过微量修饰的脂质，这些脂质代表了细胞器膜中的主要脂质。这些修饰的脂质与天然脂质基本相同，只有几个原子不同，这使得我们能够在显微镜下追踪它们，”Nadler 团队的博士生、负责创建修饰脂质的化学家 Kristin Böhlig 解释道。

修饰的脂质模拟天然脂质，具有“双功能”，这意味着它们可以被紫外线激活，从而与附近的蛋白质结合或交联。修饰的脂质被装载在活细胞膜上，随着时间的推移，被运输到细胞器膜中。研究人员在细胞培养中使用了人体细胞，例如骨细胞或肠细胞，因为它们是成像的理想选择。

Kristin总结道：“经过紫外线处理后，我们能够用荧光显微镜监测脂质，并捕捉它们随时间的变化。这让我们对细胞膜和细胞器膜之间的脂质交换有了全面的了解。”

为了理解显微镜数据，该团队需要一个定制的图像分析管道。负责图像分析的Juan Iglesias-Artola说：“为了满足我们的特定需求，我开发了一个图像分析管道，在人工智能的辅助下，使用自动图像分割来量化通过细胞器系统的脂质流动。”

通过蛋白质快速转运脂质

通过将图像分析与数学建模相结合，由HZDR的研究小组发现，细胞器膜之间85%到95%的脂质运输是由运输脂质的载体蛋白组织的，而不是由囊泡组织的。这种非囊泡运输对于单个脂质种类及其对细胞内不同细胞器的分选更为特异性。研究人员还发现，通过蛋白质转运脂质比通过囊泡转运快10倍。这些结果表明，细胞器膜的脂质组成主要是通过快速、物种特异性、非囊泡性的脂质转运来维持的。

在一组平行的实验中，MPI-CBG的Andrej Shevchenko小组使用超高分辨率质谱法来观察不同的脂质在从细胞膜到细胞器膜的运输过程中如何改变它们的结构。

促进细胞生物学和疾病中的脂质

这种新方法首次提供了脂质如何通过细胞移动到不同细胞器的定量图谱。结果表明，非囊性脂质转运在维持各细胞器膜组成中起关键作用。

BIOTEC研究小组负责人Alf Honigmann说：“我们的脂质成像技术可以直接对细胞中的脂质运输和功能进行机制分析，这在以前是不可能的。我们认为，我们的工作为研究细胞内脂质作用的新时代打开了大门。”

脂质成像将有助于进一步发现并有助于揭示由脂质失衡引起的疾病的潜在机制。这项新技术可能有助于开发新的药物靶点和治疗方法，以治疗脂质相关疾病，如非酒精性脂肪性肝病。

“我们知道我们正在做一件大事。”

MPI-CBG 研究组组长 André Nadler 回顾了研究的起步：“对细胞中的脂质进行成像一直是显微镜技术中最具挑战性的方面之一。我们的项目也不例外。2014/15 年，我和 Alf Honigmann 相继入职 MPI-CBG 后，就开始讨论如何解决脂质成像问题，并很快决定投入其中。从项目启动到 2019 年秋天，我们两人终于获得了一个带有漂亮质膜染色的样本，这花了我们近五年的时间。那时我们就知道，我们即将取得重大进展。然而，由于一些全球性事件的影响，我们不得不在几个月后关闭实验室。最终，这种延迟反而是好事。在人工智能在图像分割领域的应用革命之前，我们无法正确地量化图像数据，因此得出的结论会非常有限。”

研究人员仍需确定哪些脂质转运蛋白驱动不同脂质种类的选择性运输。他们还需要识别脂质运输的能量来源，并确保每个细胞器保持其独特的膜组成。