论文标题 ： A bright cyan fluorescence calcium indicator for mitochondrial calcium with minimal interference from physiological pH fluctuations

期刊：Biophysics Reports

作者：王友军, 董昊

发表时间：2024年4月

DOI：

北京师范大学王友军教授团队和南京大学董昊教授团队合作在《Biophysics Reports》发表题为“A bright cyan fluorescence calcium indicator for mitochondrial calcium with minimal interference from physiological pH fluctuations”文章，成功开发出明亮的基因编码青色荧光钙离子指示剂，TurCaMP，该工具对生理状态下线粒体基质pH波动不敏感，能够更精确地监测线粒体基质中的钙离子变化。王友军教授的博士研究生谷文佳和董昊教授的博士研究生杨玉钦为该文章的共同第一作者。

钙离子（Ca²⁺）是细胞内重要的第二信使，参与调控包括神经传导、肌肉收缩在内的多种生理过程。线粒体作为细胞内Ca²⁺的主要储存和调节场所，其内部Ca²⁺的变化对于维持细胞功能正常发生至关重要。为了监测线粒体基质Ca²⁺活动变化，已开发出许多基因编码的钙指示剂（Genetically Encoded Ca²⁺ indicators, GECIs）用于线粒体钙信号监测。然而，由于现有的GECI信号易受线粒体基质中pH波动的影响，难以准确检测线粒体Ca²⁺信号。

为此，团队开发出了基于青色荧光蛋白变体mTurquoise2的青色钙指示剂TurCaMP（图1A）。与GCaMP6m相比（图1B），TurCaMP信号在pH 6-9的范围内几乎不受pH影响（图1C），因而具备对线粒体内生理pH波动不敏感性的优点。TurCaMP的信号在钙浓度增加时下降，这一反向钙响应特性使其具有高静息荧光的特点，有助于在低光照强度下实现高信噪比的胞内Ca²⁺活动监测，对于观察细胞内微小的亚细胞结构如线粒体中的Ca²⁺动态变化尤为重要。

图1. TurCaMP模式图及线粒体定位后的胞内特征。

A. 基于NEMO模式设计开发的TurCaMP模式图。 B-C. HeLa细胞中，与mt-GCaMP6m信号相比(B)，mt-TurCaMPb信号(C)对线粒体基质的pH波动不敏感。 D. 利用CCh诱导胞质(NEMOm)、内质网(R-CEPIAR1er)和线粒体(mt-TurCaMPb)中钙活动发生的多色钙成像典型曲线。

研究团队通过结合分子动力学模拟分析和实验验证，发现其荧光变化的分子机制可能与发色团去质子化程度相关。对于探究胞内Ca²⁺参与调控的复杂多变的生理过程及病理机制，该青色GECI进一步拓展了利用GECI进行多色成像的范围（图1D），在神经活动和细胞内信号传导研究中具有重要的应用前景。

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