发展双模态超分辨率全景成像技术，描绘自噬和迁移性胞吐过程中的细胞器互作网络

By applying and perfecting super-resolution fluorescence-assisted diffraction computational tomography and Ca2+ lantern superresolution microscopy innovated here, this project aims to focus on mapping out the organelle interactome during cell autophagy and migrasome fusion. By simultaneously monitoring multiple organelles, critical proteins and Ca2+ signaling in live cells, we will visualize the whole process of autophagy and migration, from the formation of isolation membrane to the autophagosome/autolysosome maturation, and from the emergence of migrasomal vesicles and their trafficking and exocytosis in the end. By developing an intellegent Terabyte superresolution imaging processing platform, we will quantitatively map out the dynamic changes of organelle interactomes during these processes. In combination with the application of genetic and biochemistry techniques, we expect to reveal the critical roles of autophagy and migrasomes in the maintenance of cell homeostasis and pathogenesis of related diseases.

本课题将应用和完善分别针对活细胞结构变化成像和功能动态成像的荧光-无标记双模态以及钙灯笼等原创研发的超分辨率显微成像技术，描绘在细胞自噬以及迁移过程中细胞器互作网络、钙信号分子以及关键蛋白的全景图。通过实时观察自噬隔离膜与内质网、内吞体/溶酶体互作等过程，迁移体内部小泡与迁移体互作融合等过程，通过建立及应用超分辨率图像大数据智能分析平台，定量描绘自噬和迁移性胞吐过程中的细胞器互作网络的动态变化。结合生化和遗传等手段，阐明自噬和迁移体分别在细胞稳态维持以及相关疾病中的重要作用。

本项目中我们开发了多模态、跨尺度的超分辨显微镜，描绘了在细胞自噬以及迁移过程中细胞器互作网络以及关键蛋白全景图。我们发展了稀疏反卷积算法，可以结合多种模式的成像显微镜，与SIM显微镜结合，可以实现60 nm分辨率和564 Hz的成像速度。我们应用Sparse-SIM来研究胰岛素分泌细胞中的高血糖诱导的分泌融合小孔的功能失调。我们同时系统研究了结构光照明超分辨显微镜的照明光发生散射对成像伪影的影响以及开发了针对结构光照明显微镜成像系统中sCMOS相机的噪声进行校正的超分辨率重构算法，这些将为抑制SIM伪影以及提高信噪比提供指导。除此之外，我们还开发了微型化双光子显微镜2.0版本，成像视野扩大至420×420平方微米，新微型物镜的工作距离可扩展至1毫米。.本项目中我们探讨了内质网跨膜蛋白ATL2/3调控内质网招募ULK1复合体(ATG101-FIP200-ATG13)进而诱导自噬小体在内质网启动。我们还利用超高分辨显微成像技术探究了内质网表面的钙瞬变引起参与自噬起始的FIP200复合物发生液-液相分离，形成的FIP200凝聚体进而成为自噬体起始位点。近两年我们对COVID-19的致病病毒SARS-CoV-2逃避自噬降解的机制也开展了深入的研究，并发现了揭示COVID-19逃脱自噬降解的新机制，及新冠病毒蛋白ORF3a通过促进溶酶体外泌介导的病毒释放的机制。我们的研究极大的丰富了人们对自噬小体形成和成熟过程的认识。.我们发现了一种依赖迁移体调控线粒体质量的新方式即线粒体分泌，参与调控细胞内线粒体稳态；系统阐述了单核细胞迁移体调控血管新生的分子机制，发现单核细胞迁移体通过释放内含的血管新生因子到毛细血管生成位置，促进毛细血管网络建立；发现和报道了一种新型的由迁移细胞产生的收缩丝断裂而形成的小细胞外囊泡—收缩丝体；报道了Tspan4参与膜修复过程，发现富含Tetraspanin4的宏结构域的组装会形成一个物理屏障来抑制膜损伤；合作开发了一种超高分辨率显微成像技术，该成像技术较以往的技术具有更快的成像速度，更高的分辨率，是一个研究迁移体的很好工具。.