应用海森结构光超高分辨率显微镜研究靶向溶酶体的线粒体衍生囊泡的发生机制

Mitochondria not only produce energy to the whole cell but also participate in various biosynthesis and life processes. To maintain its normal morphology and function, mitochondria actively interact with other organelles. Vesicle transport is one of the interacting modes. Mitochondrial-derived vesicles (MDVs) carry mitochondrial proteins, lipids, etc. to the peroxisome or late endosome/lysosome. MDVs targeted to lysosomes not only regulate the morphology and movement of mitochondria, participate in the presentation of immune antigens, but also play an important role in the control of mitochondrial quality. However, due to its smaller diameter than the resolution of conventional confocal microscopes, it cannot be differentiated from mitochondrial fragments under conventional microscopes. Moreover, the confocal microscope has high excitation light intensity, and mitochondria are very sensitive to phototoxicity. Therefore, current studies on MDVs can only rely on electron microscopy or fluorescent staining with antibodies to observe fixed samples. Technical limitations hinder the mechanism research on MDVs. We intend to implement real-time dynamic super-resolution imaging of MDVs using a self-developed Hessian structured illumination microscopy, and to develop new algorithms to analyze the kinetic characteristics and generation mechanisms of their formation, transport, and fusion with target organelles. We expect this study will provide new discoveries on mitochondria quality control mechanisms and deepen the understanding of organelles communication.

线粒体不仅产生能量还参与多种生物合成与生命过程。为维护其正常的形态与功能，线粒体与其它细胞器之间存在着活跃的交流。囊泡运输是其中的一种方式。线粒体来源的囊泡MDVs携带线粒体蛋白、脂质等运输到过氧化物酶体或晚期内体/溶酶体。靶向溶酶体的MDVs不仅调节了线粒体的形态、运动，参与免疫抗原的呈递，还是一种线粒体质量控制的重要机制。然而由于其直径小于常规共聚焦显微镜的分辨率，在传统显微镜下无法与线粒体片段相区分。而且共聚焦显微镜的激发光强度高，而线粒体对光毒性非常敏感。所以目前关于MDVs的研究只能依赖于电镜或抗体荧光染色来观察固定样本。技术上的限制阻碍了关于MDVs的机制研究。我们拟利用自主研发的海森结构光超高分辨率显微镜实现对MDVs的实时动态成像，并开发新的算法来解析其形成、运输和与靶器官融合的动力学特点及生成机制，期望为线粒体质量控制机制提供新发现，并加深对细胞器之间相互交流方式的理解。

线粒体衍生囊泡MDVs是近年来发现的从线粒体上出芽形成的、包含不同集群的囊泡。其中线粒体外膜通道转位酶TOM20所标志的TOM20+ MDVs是数目最多的一类亚群，被认为靶向溶酶体降解，是一种线粒体质量控制的机制。然而对于TOM20+ MDVs 的形成机制，动力学特点与功能机制等还知之甚少。该项目利用海森结构光超高分辨率显微镜研究TOM20+ MDVs的发生机制。首先借助深度学习相关的图像处理技术建立了线粒体结构自动化识别与分析的软件和算法。进一步，我们应用海森结构光超高分辨率显微镜实时动态观察MDVs的生成、动力学特点以及靶向。我们发现TOM20+ MDVs并不像文献报道的那样，只是单一大小的囊泡状结构，其还存在一些条索状结构。而且条索状MDVs可转变为囊泡状MDVs。DRP1敲低导致TOM20+ MDVs数目减少，尺寸增加。与以往人们的认识不同，我们发现大部分TOM20+ MDVs并不靶向溶酶体降解，而是靶向过氧化物酶体。敲除过氧化物酶体关键因子PEX3/PEX19显著降低TOM20+ MDVs数量，提示TOM20+ MDVs可能与过氧化物酶体的发生与功能密切相关。本项目开发的线粒体结构自动化识别与分析技术使得从海量的超分辨成像数据中进行定量分析从而发现有意义的生物学现象成为可能。生物学实验结果为重新认识线粒体与过氧化物酶体的互作机制提供了有趣的新发现。