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Spatiotemporally mapping temperature dynamics of lysosomes and mitochondria using cascade organelle-targeting upconversion nanoparticles

线粒体 细胞器 细胞生物学 氧化磷酸化 生物物理学 细胞质 细胞内 三磷酸腺苷 化学 生物化学 生物
作者
Xiangjun Di,Dejiang Wang,Qian Peter Su,Yongtao Liu,Jiayan Liao,Mahnaz Maddahfar,Jiajia Zhou,Dayong Jin
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (45) 被引量:26
标识
DOI:10.1073/pnas.2207402119
摘要

The intracellular metabolism of organelles, like lysosomes and mitochondria, is highly coordinated spatiotemporally and functionally. The activities of lysosomal enzymes significantly rely on the cytoplasmic temperature, and heat is constantly released by mitochondria as the byproduct of adenosine triphosphate (ATP) generation during active metabolism. Here, we developed temperature-sensitive LysoDots and MitoDots to monitor the in situ thermal dynamics of lysosomes and mitochondria. The design is based on upconversion nanoparticles (UCNPs) with high-density surface modifications to achieve the exceptionally high sensitivity of 2.7% K −1 and low uncertainty of 0.8 K for nanothermometry to be used in living cells. We show the measurement is independent of the ion concentrations and pH values. With Ca 2+ ion shock, the temperatures of both lysosomes and mitochondria increased by ∼2 to 4 °C. Intriguingly, with chloroquine (CQ) treatment, the lysosomal temperature was observed to decrease by up to ∼3 °C, while mitochondria remained relatively stable. Lastly, with oxidative phosphorylation inhibitor treatment, we observed an ∼3 to 7 °C temperature increase and a thermal transition from mitochondria to lysosomes. These observations indicate different metabolic pathways and thermal transitions between lysosomes and mitochondria inside HeLa cells. The nanothermometry probes provide a powerful tool for multimodality functional imaging of subcellular organelles and interactions with high spatial, temporal, and thermal dynamics resolutions.

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