2025 國自然必讀：脂滴-線粒體互作前沿剖析與全流程技術攻略

前言

脂滴與線粒體的互作作為細胞代謝和能量穩態調控的重要機制，近年來逐漸成為細胞生物學和代謝疾病研究的熱點。脂滴是細胞內儲存中性脂質的主要細胞器，線粒體則在能量代謝中發揮關鍵作用。研究表明，脂滴與線粒體之間存在緊密的物理和功能性聯系，二者在脂肪酸代謝、能量供應和氧化應激反應中協同作用。在細胞應激和代謝失調的條件下，脂滴與線粒體的相互作用能夠調控細胞能量平衡，并影響細胞的生存和死亡機制。脂滴內的脂肪酸可被線粒體攝取，進行氧化生成 ATP；同時，線粒體通過調節脂滴的動態變化，控制脂肪酸的儲存與動員。這種相互作用在多種代謝性疾病中具有重要意義。隨著高分辨率成像技術和質譜分析的應用，脂滴-線粒體互作的分子機制逐步揭示，為探索脂質代謝異常和相關疾病提供了新的研究方向，并為精準醫學的發展提供了重要依據。

下面我們將從背景介紹、研究手段、方法、結果分析等角度深入解析這一主題。

一、【背景介紹】脂滴-線粒體互作是什么？

脂滴與線粒體的互作是細胞代謝調控中的關鍵環節，廣泛存在于各類細胞和組織中，涉及脂質代謝、能量平衡和細胞生存等多個生理過程。脂滴作為細胞內儲存能量的結構，在線粒體的能量代謝中發揮著重要作用。研究發現，脂滴與線粒體通過直接的物理接觸和調節相互作用，調控脂肪酸的儲存、動員與氧化。線粒體通過攝取脂滴中的脂肪酸進行氧化代謝生成 ATP，同時脂滴的合成與降解也受線粒體能量狀態的調控。脂滴-線粒體互作在多種代謝性疾病如肥胖、糖尿病和心血管疾病中具有重要意義，且其調節機制逐漸被高通量成像、質譜分析等技術深入揭示。隨著研究的深入，脂滴-線粒體互作的分子機制為代謝紊亂及衰老相關疾病的干預提供了新的靶點，為精準醫學和衰老延緩治療開辟了新的方向。

（1）原理

在特定代謝狀態和細胞信號調控下，脂滴與線粒體通過物理接觸和功能互作，協調脂肪酸動員與 β-氧化，調控細胞能量代謝與穩態。脂滴提供脂肪酸底物，線粒體通過脂肪酸氧化生成 ATP，同時互作區域富集特異性蛋白，如 PLINs 和 Mfn2，促進脂質流動與線粒體功能調控。脂滴-線粒體互作通過影響脂質代謝平衡、氧化應激應答及線粒體動態變化，成為肥胖、糖尿病、脂肪性肝病等代謝紊亂及衰老相關疾病發生的重要基礎。

（2）機制

脂滴與線粒體互作主要通過以下機制影響細胞：

①改變脂肪酸代謝，影響能量供給：脂滴通過儲存中性脂質為線粒體提供脂肪酸底物，促進 β-氧化和 ATP 生成。脂滴-線粒體互作在能量供給不足時發揮關鍵作用，調節脂肪酸的動員與氧化過程，確保細胞代謝穩態。

②調節氧化應激反應，影響細胞功能：脂滴與線粒體的接觸區富集抗氧化酶和脂肪酸氧化酶，促進脂質過氧化物的降解，減輕氧化應激。然而，脂滴過度積累可導致脂肪酸的過度氧化，增加 ROS 生成，從而加劇細胞的氧化損傷。

③促進線粒體功能調節，影響細胞生存：脂滴與線粒體之間的互作通過調節線粒體膜的動態變化，影響線粒體的融合與分裂過程。脂滴-線粒體相互作用可以調控線粒體的能量產出與凋亡信號傳遞，影響細胞的生長、存活與死亡。

脂滴與線粒體互作在多個生物學過程中扮演著重要角色，包括：

①代謝性疾病的發生與發展：在肥胖和 2 型糖尿病等代謝性疾病中，脂滴與線粒體互作失衡導致脂肪酸動員異常和線粒體 β-氧化功能受損，進而引發脂質積累、胰島素抵抗和代謝紊亂，促進疾。

②心血管疾病的發生與發展：在動脈粥樣硬化等心血管疾病中，脂滴與線粒體互作異常增加氧化脂質生成，誘發內皮細胞功能障礙和炎癥反應，促進動脈粥樣硬化斑塊形成，加速心血管疾病的發展。

③神經退行性疾病的發生與進展：在阿爾茨海默病等神經退行性疾病中，脂滴異常積聚與線粒體功能失調相互作用，導致神經元能量代謝障礙和氧化應激加劇，促進神經元損傷與疾病進展。

二、【研究手段與方法】脂滴與線粒體互作如何研究？

脂滴與線粒體互作的研究涉及多種技術手段和檢測指標，以解析其復雜的生化途徑和調控機制。以下是一些關鍵的研究方法和技術：

1. 脂滴與線粒體共定位成像（Co-localization Imaging）

利用共聚焦顯微鏡結合脂滴染料（例如 BODIPY）和線粒體染料（例如 MitoTracker），可實現脂滴與線粒體在細胞內空間位置的可視化和共定位分析。通過計算共定位系數評估二者互作緊密度，揭示功能性關聯。

2. 高分辨率電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy, TEM）

通過 TEM 技術可以觀察脂滴與線粒體的超微結構及其接觸界面，揭示互作形態特征。定量分析接觸面積和膜結構變化，有助于解析脂滴-線粒體互作在不同生理病理狀態下的動態變化。

3. 脂滴-線粒體接觸蛋白檢測（Proximity Ligation Assay, PLA）

利用 PLA 技術檢測脂滴相關蛋白（例如 PLINs）與線粒體蛋白（例如 Mfn2）之間的近距離互作。通過熒光信號的出現與分布，定量評估蛋白水平的物理互作，反映脂滴-線粒體功能聯系。

4. 脂滴大小與數量分析（Lipid Droplet Morphology Analysis）

通過 BODIPY 染色結合高內涵成像（HCS）系統定量分析脂滴大小、數量及分布。指標變化反映脂滴動態調控能力，與線粒體代謝狀態密切相關。

5. 質譜分析（Mass Spectrometry）

質譜分析技術可以識別脂滴和線粒體相互作用的分子標記物，分析脂肪酸的種類及其在細胞中的分布。通過這種技術，可以精確了解脂滴中的脂質成分，包括脂肪酸成分、脂質類型、脂肪酸氧化產物的變化。

6. 線粒體呼吸功能測定（Seahorse XF Analyzer）

使用 Seahorse 代謝分析儀測量細胞的氧氣消耗率（OCR）和糖酵解率（ECAR）。可量化脂滴供能后線粒體呼吸活性變化，反映互作對能量代謝的影響。

7. 活性氧水平檢測（ROS Detection Assay）

利用 DHE 或 MitoSOX 等熒光探針檢測細胞或線粒體內 ROS 水平。評估脂滴-線粒體互作對氧化應激狀態的調控，揭示互作失衡是否加劇氧化損傷。

8. 活細胞成像技術（Live-cell Imaging）

利用 MitoTracker 和 BODIPY 等熒光探針，實時監測脂滴與線粒體的動態變化及互作過程。評估脂滴-線粒體互作在細胞內的時空分布特征，揭示互作動態失衡與脂質代謝紊亂的關聯機制。

三、【結果分析】脂滴與線粒體互作的實驗結果怎么看？

下面我們來舉 2 個例子帶大家一鍵理解脂滴與線粒體互作的實驗結果。

1. 以 Huh7 細胞為研究對象，予以或不予以處理葡萄糖剝奪（40 分鐘），利用免疫共沉淀（Co-IP）技術，使用抗 PLIN2 和抗 CPT1A 的特異性抗體進行免疫沉淀。此外，使用 mCherry 標記 PLIN2（脂滴標志物）和 GFP 標記 CPT1A（線粒體標志物），并通過通過共聚焦顯微鏡觀察脂滴與線粒體的共定位。為進一步探究 CPT1A 對兩者互作的影響，利用 shRNA 敲低 CPT1A 表達，利用免疫熒光技術進行脂滴和線粒體的共定位分析（PMID：38773347，《Natural metabolism》，中科院 1 區，IF = 19.2）。

（1）數據點解析

①葡萄糖剝奪增強 PLIN2 與 CPT1A 的結合：在 Huh7 細胞中，通過免疫共沉淀（Co-IP）實驗檢測發現，葡萄糖剝奪處理后，脂滴標志蛋白 PLIN2 與線粒體外膜蛋白 CPT1A 的結合顯著增強，而 PLIN3 與 CPT1A 的結合未見明顯變化（圖 a）。

②葡萄糖剝奪促進脂滴與線粒體的共定位：利用共聚焦活細胞成像技術觀察到，葡萄糖剝奪處理后，脂滴（PLIN2 標記）與線粒體（CPT1A 標記）之間的共定位比例隨處理時間延長（10, 20, 40 分鐘）逐漸增加，脂滴-線粒體互作顯著增強（圖 b）

③敲低 CPT1A 抑制脂滴-線粒體互作的形成：通過 shRNA 干擾敲低 CPT1A 表達后，葡萄糖剝奪條件下脂滴（LiveDrop 標記）與線粒體（MitoTracker 標記）的共定位明顯減少，脂滴與線粒體之間的接觸顯著受阻（圖 c）。

（2）分析結論

①葡萄糖剝奪通過促進脂滴與線粒體的結合增強脂肪酸動員能力：根據 Co-IP 實驗和共聚焦成像結果顯示，葡萄糖剝奪處理顯著促進 PLIN2 與 CPT1A 的結合，并增強脂滴與線粒體的共定位，提示葡萄糖剝奪可能通過促進脂滴-線粒體互作，加速脂肪酸的動員與線粒體氧化利用，幫助細胞應對能量壓力。

②CPT1A 在脂滴-線粒體互作中起關鍵介導作用：通過敲低 CPT1A 的干預實驗發現，脂滴與線粒體的物理接觸顯著減少，表明 CPT1A 不僅在脂肪酸線粒體轉運中發揮作用，還作為脂滴與線粒體互作的橋梁，調控脂質動員過程；其缺失可能削弱細胞在能量缺乏狀態下的代謝適應能力。

2. 使用 HepG2 細胞和分化的 HepaRG 細胞，細胞暴露于 AFB1（1.25 μM）處理 48 小時，采用透射電子顯微鏡進行超微結構觀察，觀察脂滴（LDs）與線粒體（Mito）之間的膜接觸位點。此外，接著預處理 PFTμ（5 μM，12 小時），隨后暴露于 AFB1（1.25 μM）處理 48 小時，進行近距離連接分析（PLA）實驗檢測 p53 與 PLIN2 的物理接近程度，間接評估脂滴與線粒體互作的分子基礎。最后，使用 MitoTracker Red 標記線粒體，BODIPY 493/503 標記脂滴，通過共聚焦顯微鏡進行活細胞成像，動態觀察脂滴大小、面積及脂滴-線粒體接觸情況隨時間的變化，定量分析脂滴動態及互作過程。（PMID：37055989，《Journal of Hazardous Materials》，中科院 1 區，IF = 12.2）。

（1）數據點解析

①AFB1 暴露促進脂滴與線粒體接觸增加：在 HepG2 和分化的 HepaRG 細胞中，利用 TEM 進行觀察發現，經過 AFB1（1.25 μM，48 小時）處理后，脂滴與線粒體之間的膜接觸位點數量明顯增加（圖 A）。

②p53 與 PLIN2 互作增強脂滴-線粒體聯系：在 HepG2 和分化的 HepaRG 細胞中，采用近距離連接分析（PLA）檢測，結果顯示 AFB1 暴露后 p53 與 PLIN2 的 PLA 熒光信號顯著增強，表明 p53 與 PLIN2 之間的互作增加（圖 B）。

③AFB1 增強脂滴-線粒體動態接觸及脂滴增長：在 HepG2 和分化的 HepaRG 細胞中，利用活細胞成像技術實時監測發現，AFB1 處理后脂滴尺寸（直徑 >1 μm）和面積隨時間顯著增大，且脂滴與線粒體的接觸頻率明顯升高（圖 E）。

（2）分析結論

①脂滴-線粒體互作在 AFB1 誘導的脂質積累中發揮重要作用：TEM 結果顯示，AFB1 暴露顯著增加脂滴與線粒體的接觸位點數量，提示脂滴與線粒體的緊密互作可能促進脂肪酸動員與轉運，加速脂滴擴張和脂質積累，成為細胞脂毒性進程的重要驅動因素。

②p53-PLIN2 互作介導脂滴與線粒體的功能連接：通過 PLA 結果表明 AFB1 處理增強了 p53 與 PLIN2 的互作，提示 p53 作為連接蛋白促進脂滴表面的 PLIN2 與線粒體結合，揭示了脂滴-線粒體互作的分子基礎，為理解脂質代謝紊亂提供了新的機制依據。

③脂滴動態積聚依賴于脂滴-線粒體互作增強：活細胞成像分析表明，AFB1 處理促進脂滴動態積聚并增強與線粒體的接觸，揭示脂滴-線粒體互作在脂滴生長和脂質積累中的重要作用，進一步證實脂滴-線粒體互作異常是 AFB1 誘導肝細胞脂毒性的重要機制。

四、【國自然中標統計】脂滴與線粒體互作熱度如何？

2024 年醫學科學部「脂滴與線粒體互作」中標項目 6 個，已逐漸成為一個新型的研究方向。

小結

總而言之，脂滴與線粒體互作作為細胞代謝調控的重要機制，近年來在代謝疾病與細胞生物學領域受到廣泛關注。2024 年國自然的立項反映出該領域研究的持續升溫。隨著共聚焦成像、透射電鏡、質譜組學及單細胞測序等技術的發展，脂滴-線粒體互作的結構與功能機制正被深入解析。未來，相關研究有望揭示脂質代謝異常與線粒體功能失調的關鍵環節，為非酒精性脂肪性肝病、糖尿病及心血管疾病提供新靶點。結合空間組學與人工智能算法，將助力精準識別調控因子，推動代謝疾病的精準干預與個體化治療。

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