具有光敏效应的双功能荧光蛋白用于超分辨光电联合成像

Correlative super-resolution fluorescence and electron microscopy integrates bio-macromolecular precise localization and cellular ultrastructure information at nanoscale, and provides an effective means for studying the in-situ structure and dynamic of molecular machinery, thus being the development trend in the field of biological imaging. However, due to the lack of dual-functional labelling probes, it is still a challenge to couple the information form light and electron microscopy at nanoscale and realize accurate image registration, which seriously restricts its rapid development and widespread application. To solve these problems, this project intended to develop a dual-functional fluorescent protein with singlet oxygen photosensitizing effect, which is suitable for super-resolution fluorescence microscopy and capable of specific labeling in electron microscopy, to provide details with increased spatial resolution and to improve registration efficiency and accuracy, thus promoting the development of correlative super-resolution fluorescence and electron microscopy. The engineered probe will be used in exploration of important scientific problems such as topological structure of large complex and organelle-organelle interaction mechanism.

超高分辨率光电联合成像技术能够在纳米尺度整合生物大分子的精确定位和细胞超微结构信息，为研究分子机器在细胞内的原位结构和动态变化提供了有效手段，是生物成像领域的发展趋势。然而，由于超分辨光电双功能标记探针的缺乏，实现同尺度（如：纳米级别）光镜电镜的信息耦合以及图像的精确配准仍面临很大挑战，严重制约了超分辨光电联合成像的快速发展和广泛应用。为了解决以上问题，本项目拟发展具有单线氧光敏效应的双功能荧光蛋白，满足超分辨荧光成像需求的同时实现电镜的特异性标记，提高光学成像的空间分辨率，改进配准的精度和效率，推动超分辨光电联合成像技术的发展。开发的探针拟应用于超大复合物的拓扑结构研究、细胞器的互作机制解析的等重要科学问题的探索。

超分辨光镜电镜关联成像能够整合分子的特异性定位信息和细胞环境的超微结构信息，是生物成像的重要前沿领域。然而，不同成像模式对标记探针提出了截然不同的特性需求，可以同时满足两种成像需求的探针非常缺乏，严重制约了超分辨光电关联技术的应用和发展。本项目针对超分辨光电关联成像探针缺乏、探针无法兼容两种成像模态、两种成像模态图像配准精度低等问题，展开了新型光电关联探针的开发研究。首先，为了解决已有探针在冷冻电镜低温条件下光转化效率降低从而影响超分辨荧光成像分辨率的问题，我们发展了光转化速度更快、转化效率更高的荧光蛋白pcStar，提高了探针在单分子定位成像中的标记密度和时空分辨率，同时也为常温光电关联成像探针的开发提供了优质模板，相关成果发表在Nano letters（2020）。其次，为了解决已有探针在常规电镜制样后荧光淬灭从而无法进行荧光成像的问题，我们开发了第一个可以抵抗锇酸固定和疏水树脂包埋的光控荧光蛋白探针mEosEM，首次实现了同层切片疏水树脂包埋后的高精度光电关联成像。为大尺度样品（如脑组织）的三维光电关联成像提供了标记技术基础，相关成果发表在Nature Methods（2020）。接着，为了解决常温光电关联成像中存在较高荧光背景，图像信背比低，双色成像探针缺乏等问题，我们开发了电镜制样后开关对比度相对模版提高三倍的绿色光开关荧光蛋白mEosEM-E，并利用其对调制光的响应特性，发展了基于调制图像相减的成像方法sCLEM，将光电关联成像的信背比提高了三倍。另外，我们从常规红色荧光蛋白中筛选出可以抵抗常规电镜制样，并具有最高切片后亮度和信背比的蛋白mScarlet-H。联合使用mEosEM-E和mScarlet-H，我们成功实现了高配准精度的双色光电关联成像，相关成果发表在Cells（2022）。最后，为了超分辨荧光图像的质量并检测重构伪迹，我们发展了一种基于结构相似性的图像质量评价方法DETECTOR，为成像数据采集和参数设置提供指导，相关成果发表在BOE（2021）。