分享一篇发表在Nature上的文章。文章的题目是哺乳动物细胞中脂质转运的定量成像。文章的作者是来自德国马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的André Nadler和Alf Honigmann教授。这两个课题组研究方向包括膜脂质化学生物学、超高分辨显微镜以及荧光成像等。

真核细胞产生1,000多种不同的脂质物种，这些脂质可以调节细胞器膜特性、控制信号传导和储存能量。由于细胞中的脂质转运难以成像，脂质种类如何在细胞器之间被选择性分选以维持特定的膜特性，目前仍不清楚。

为了实现不同脂质物种的高分辨荧光成像和质谱检测，作者在脂质的烷基侧链引入双吖丙啶和炔烃，合成了一个双功能脂质探针库，涵盖四种不同的脂质类别：磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酸（PA）、磷脂酰乙醇胺（PE）和鞘磷脂（SM）。

本研究通过α-甲基环糊精介导的脂质交换，将脂质探针特异性插入U2OS细胞质膜（PM）外叶，实现了脂质在PM处的明确初始定位。利用含双吖丙啶官能团的双功能脂质探针，结合时间序列（0-24小时）的光交联、点击化学荧光标记与共聚焦成像，追踪了脂质的逆行转运。通过超高分辨率质谱区分探针与天然脂质，并利用Ilastik软件对共聚焦图像进行像素分类，将荧光信号定量分配至PM、高尔基体（Golgi）、内质网（ER）、内体（endosomes）及线粒体（mito）等特定细胞器，最终建立了可同时量化脂质细胞器间转运过程及其代谢转化的成像分析流程。

本研究发现细胞内脂质逆行转运主要依赖非囊泡途径，其速率可达囊泡转运的11倍，且表现出显著的脂质选择性：多不饱和PC、PE等脂质转运较快，而饱和PC和SM则较慢。结构-功能分析表明，脂酰链不饱和度是影响非囊泡转运速率的关键因素，sn-2位双键的存在进一步加速转运。

在稳态下，不同脂质在细胞器间呈现显著分布差异：SM和饱和PC（如Y/16:0）主要富集于PM，而多不饱和PC和PE则优先定位于ER。这种分布与细胞器间已知的脂质浓度梯度一致，并提示存在定向的非囊泡脂质转运机制。尽管胆固醇、PA和PS的定向转运可由磷脂酰肌醇4-磷酸反转运驱动，但其他脂质的定向动力仍不明确。作者提出一种可能的机制：被动非囊泡转运可能与P4-ATP酶催化的脂质跨膜翻转相耦合，从而直接或间接地利用跨膜浓度梯度驱动脂质定向运输。作者敲低了PM翻转酶的关键亚基TMEM30A，发现PE从PM向ER的转运速度降低了三倍，且其在PM中的稳态分布显著增强，表明ATP依赖的脂质翻转与非囊泡转运在功能上耦合。相比之下，TMEM30A敲低对PC物种的转运影响较小。这些结果表明，尽管脂质交换持续进行，膜小叶间脂质的主动翻转与脂质转移蛋白的选择性转运共同作用，协同建立并维持了细胞器膜组成的差异性和特异性。

为了比较脂质代谢与转运在维持细胞器脂质组成中的相对作用，作者通过超高分辨率质谱分析了双功能脂质探针的周转和转化。结果显示，所有脂质的代谢速率均比从质膜到内质网的非囊泡转运慢10–60倍，且多不饱和PC代谢快于饱和PC，PA和PE快于相应PC，而SM基本稳定。值得注意的是，尽管存在速率差异，PC物种的转运与代谢速率高度相关，提示其生物物理特性或直接的功能偶联可能共同影响脂质命运。

总之，本研究通过时间分辨荧光成像、超高分辨率质谱与数学建模相结合，系统量化了哺乳动物细胞中单个脂质物种的逆行转运与代谢过程。结果表明，定向非囊泡脂质转运是实现快速、高选择性脂质分选的主要机制，其效率显著高于缓慢且非特异性的囊泡运输。本研究首次提供了细胞内逆行脂质通量的定量图谱，所建立的在物理与化学维度追踪脂质通量的方法体系，将为细胞生物学和疾病中脂质功能的研究提供有力支持。

本文作者：THT

责任编辑：TZS

DOI：10.1038/s41586-025-09432-x

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09432-x