追踪细胞器接触时空分布：解锁细胞奥秘的新钥匙

时间：2025年3月28日

来源：Cell Death & Disease

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为探究细胞器接触位点动态特性，研究人员用 SPLICS 报告基因研究多种细胞器接触位点时空分布。结果显示不同接触位点有特定动力学模式，速度为 ER-PM > ER-MT = PO-MT > LY-MT 。这为理解细胞器相互作用及疾病机制提供新思路。

在细胞的微观世界里，细胞器就像一个个忙碌的 “小工厂”，它们并非孤立存在，而是通过细胞器接触位点（organelle contact sites）相互协作，进行着脂质、离子和其他分子的交换，对细胞的正常功能起着关键作用。想象一下，细胞内的这些 “小工厂” 们需要不断沟通交流，传递各种 “物资”，才能维持细胞有条不紊地运作。然而，长期以来，科学家们对这些接触位点在体内的动态变化了解十分有限。一方面，缺乏高分辨率的成像技术，就好比用模糊的镜头去观察细胞活动，很多细节都无法看清；另一方面，也缺少能够在体外和体内对接触位点行为进行成像的有效工具。这就如同在黑暗中摸索，想要看清细胞内的这场 “物资交换盛宴” 却困难重重。在这样的背景下，开展对细胞器接触位点动态特性的研究迫在眉睫。

来自意大利帕多瓦大学（University of Padova）、英国伦敦国王学院（King’s College London）等机构的研究人员决定深入探索这一神秘领域。他们利用 SPLICS（Split-GFP based Contact Site Sensors）报告基因，开展了一系列实验，对多种细胞器接触位点的时空分布进行研究。最终，他们发现了不同接触位点存在进化上保守的动态模式，并且这些模式受到特定细胞器伙伴的影响。这一发现意义重大，为我们理解健康和疾病状态下细胞器相互作用的调节机制打开了新的大门，也为开发靶向治疗策略带来了新的希望。该研究成果发表在《Cell Death and Disease》杂志上。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在动物模型实验方面，利用斑马鱼（Danio rerio）、果蝇（Drosophila melanogaster）进行体内成像。斑马鱼胚胎用于瞬时表达 SPLICS 探针，果蝇则构建了转基因品系用于观察。在细胞实验方面，选用小鼠 NSC-34 运动神经元样细胞系，转染 SPLICS 探针后进行观察。成像技术上，使用共聚焦显微镜和旋转盘显微镜获取图像，通过 Fiji 等软件分析处理，从而量化接触位点的动力学参数。

研究结果

斑马鱼（Danio rerio） Rohon-Beard（RB）神经元中 SPLICS_S-P2A^ER-MT、SPLICS_S-P2A^ER-PM、SPLICS_S-P2A^PO-MT和 SPLICS_S-P2A^LY-MT的表达和特征：研究人员借助 GAL4/UAS 系统，在斑马鱼胚胎的 RB 神经元中瞬时且组织特异性地表达 4 种 SPLICS 探针。结果显示，所有探针都呈现出预期的点状模式，验证了 SPLICS 系统在体内的适用性。进一步比较不同接触位点在神经元轴突前 50μm 内的分布，发现每种接触位点都有独特的密度，其中 LY-MT 接触在 RB 轴突中高度普遍，而 ER-PM 接触则相对稀少。
斑马鱼（Danio rerio） Rohon-Beard（RB）神经元中 SPLICS_S-P2A^ER-MT、SPLICS_S-P2A^ER-PM、SPLICS_S-P2A^PO-MT和 SPLICS_S-P2A^LY-MT的时间推移成像：对 RB 神经元进行时间推移实验，发现不同接触位点表现出不同的动力学特征。通过分析，LY-MT 接触的迁移率较低，平均速度为 0.04752μm/sec，迁移率为 9.000%；而 ER-PM 接触的迁移率较高，平均速度达到 0.3082μm/sec，迁移率为 42.23%。ER-MT 和 PO-MT 接触的动力学特征则处于中间水平且相似。
转基因果蝇（Drosophila melanogaster）品系中 SPLICS_S-P2A^ER-MT、SPLICS_S-P2A^ER-PM、SPLICS_S-P2A^PO-MT和 SPLICS_S-P2A^LY-MT的生成和时间推移成像：研究人员开发了新的转基因果蝇品系，用于检测不同的细胞器接触位点。在果蝇成虫翅膀感觉神经元中进行体内成像，发现不同的 SPLICS 探针呈现出预期的点状模式，且分布具有特异性。时间推移实验表明，整体运动性在该系统中不太明显，ER-MT 接触位点在成像期间保持静止，LY-MT 接触也相对稳定，而 ER-PM 和 PO-MT 接触位点则有明显的运动，速度与在斑马鱼中观察到的相当。
分化为运动神经元的 NSC-34 细胞中 SPLICS_S-P2A^ER-MT、SPLICS_S-P2A^ER-PM、SPLICS_S-P2A^PO-MT和 SPLICS_S-P2A^LY-MT的表达和特征：将 4 种 SPLICS 探针转染到小鼠 NSC-34 运动神经元样细胞系中，细胞分化后进行成像。结果显示，不同接触位点在细胞体和轴突中的密度不同，其中 ER-PM 在细胞体中的密度最高。
分化为运动神经元的 NSC-34 细胞中 SPLICS_S-P2A^ER-MT、SPLICS_S-P2A^ER-PM、SPLICS_S-P2A^PO-MT和 SPLICS_S-P2A^LY-MT的时间推移成像：记录转染细胞的轴突，发现不同接触位点具有不同的动力学特征。ER-PM 和 PO-MT 接触的平均速度高于 LY-MT 接触，这进一步证实了接触位点在移动行为上的特异性，且与接触位点的丰度无关。

研究结论与讨论

这项研究通过使用 SPLICS 报告基因，在不同模型系统中对多种细胞器接触位点的时空分布进行研究，揭示了不同接触位点具有特定的动力学模式，速度排序为 ER-PM > ER-MT = PO-MT > LY-MT 。这种部分保守的动力学模式可能对维持细胞稳态至关重要，任何偏离这些基础动力学的变化都可能导致疾病状态。这一发现为理解细胞器相互作用的调节机制提供了新的视角，也为研究与细胞器功能障碍相关的疾病开辟了新的方向。然而，研究也提出了一些新的问题，例如接触位点运动的具体分子机制、运动方向的调控以及不同接触位点之间的协调机制等。未来需要进一步的实验研究来深入探索这些复杂的调控网络，这将有助于我们更深入地理解细胞的组织机制，为开发治疗相关疾病的新策略提供理论依据。