今天最銳利的成像工具之一，超分辨率顯微鏡，產(chǎn)生閃亮的圖像，直到現(xiàn)在一直是模糊的細(xì)胞內(nèi)部，不僅詳細(xì)介紹細(xì)胞的內(nèi)部器官和骨骼，還提供細(xì)胞驚人的靈活性的見解。

在該雜志的最新一期細(xì)胞報(bào)道，柯Xu和他的同事在加州大學(xué)伯克利分校使用技術(shù)來提供測(cè)地線網(wǎng)格的尖銳觀點(diǎn)，即支持外膜一個(gè)的紅血細(xì)胞，揭示了為什么這些細(xì)胞是堅(jiān)固而靈活的足夠當(dāng)它們將氧氣輸送到我們的組織時(shí)擠壓狹窄的毛細(xì)血管。

這一發(fā)現(xiàn)最終有助于揭示瘧疾寄生蟲在入侵并最終摧毀紅細(xì)胞時(shí)如何劫持這種稱為亞膜細(xì)胞骨架的網(wǎng)狀物。

“人們知道寄生蟲與細(xì)胞骨架相互作用，但它是如何做到的還不清楚，因?yàn)闆]有好的方法來觀察結(jié)構(gòu)，”化學(xué)助理教授徐說。“現(xiàn)在我們已經(jīng)解決了正常健康細(xì)胞的真實(shí)情況，我們可以詢問寄生蟲感染的變化以及藥物如何影響相互作用。”

典型的人體細(xì)胞具有支撐外膜的二維骨架和支撐內(nèi)部所有細(xì)胞器的三維內(nèi)部骨架，并且用作整個(gè)細(xì)胞的運(yùn)輸系統(tǒng)。

然而，紅細(xì)胞僅具有膜支持物而沒有內(nèi)部支架，因此它們基本上是充滿攜帶氧的血紅蛋白分子的球囊。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，紅細(xì)胞非常適合研究支持所有細(xì)胞膜的骨架。

早期的電子顯微鏡圖像顯示，紅細(xì)胞中的亞膜細(xì)胞骨架是一個(gè)三角形的蛋白質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，讓人聯(lián)想到一個(gè)測(cè)地圓頂。但測(cè)量三角形亞單元的大小是通過壓平死亡和干燥的細(xì)胞的圓頂膜來實(shí)現(xiàn)的，這會(huì)使結(jié)構(gòu)扭曲。

暴露細(xì)胞骨架

徐先生是哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，他是超分辨率顯微鏡的發(fā)明者之一，肖偉偉，是STORM(隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡)版本的專家。超分辨率顯微鏡的分辨率比標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡高10倍，適用于濕細(xì)胞和活細(xì)胞。

使用STORM，Xu，前Berkeley博士后Leiting Pan和研究生Rui Yan能夠?qū)π迈r紅血細(xì)胞的完整亞膜細(xì)胞骨架進(jìn)行成像，并發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格的三角形大約是之前測(cè)量的三角形。電子顯微鏡：每邊長(zhǎng)80納米，而不是190納米。

區(qū)別至關(guān)重要：網(wǎng)格的構(gòu)建塊是一種叫做“光譜分析”的蛋白質(zhì)，可以拉伸到最大長(zhǎng)度約190納米。Xu說，如果網(wǎng)狀物是由拉伸的血影素制成的，那將是僵硬的。但由于它的正常長(zhǎng)度是一個(gè)寬松的80納米，它就像一個(gè)彈簧。

“它更像是處于松弛狀態(tài)的彈簧，在壓縮或拉伸下具有很大的彈性，因此在不同的生理?xiàng)l件下，例如通過狹窄的毛細(xì)管擠壓，使紅細(xì)胞具有很大的彈性，”Yan說。

在網(wǎng)格的頂點(diǎn)，五到六個(gè)血影蛋白聚集在一起，是一種不同的蛋白質(zhì)：肌動(dòng)蛋白。肌動(dòng)蛋白是亞膜細(xì)胞骨架的標(biāo)準(zhǔn)部分，是細(xì)胞的主要結(jié)構(gòu)成分之一。

網(wǎng)格中的淚水

有趣的是，STORM揭示了細(xì)胞骨架網(wǎng)中從未見過的洞，這也可能對(duì)其靈活性至關(guān)重要。

“這是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)缺陷，但可能有一個(gè)原因，”徐說，他也是Chan Zuckerberg Biohub調(diào)查員。“當(dāng)細(xì)胞穿過毛細(xì)血管時(shí)，細(xì)胞會(huì)想要快速改變結(jié)構(gòu)，有這些缺陷有助于重新組織形狀而不會(huì)破壞網(wǎng)狀物。它可以作為一個(gè)弱點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)噲D擠壓東西，它們可以開始圍繞這些點(diǎn)彎曲。“

徐實(shí)際上發(fā)現(xiàn)了血影蛋白的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)作用。在哈佛大學(xué)期間，他使用STORM來觀察神經(jīng)元的骨骼結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)肌動(dòng)蛋白在軸突的整個(gè)長(zhǎng)度上形成精確間隔的環(huán) - 可能長(zhǎng)達(dá)一英尺長(zhǎng) - 就像一條龍的肋骨一樣。蛇。它們正好相隔190納米，當(dāng)他通過教科書查看那個(gè)長(zhǎng)度的蛋白質(zhì)時(shí)，他遇到了血影素。他隨后使用STORM確認(rèn)在其伸展?fàn)顟B(tài)下，血影蛋白是環(huán)之間的間隔物，使它們保持精確分離。

“環(huán)狀骨架使軸突成為一種非常穩(wěn)定但可彎曲的結(jié)構(gòu)，”徐說，而規(guī)則的間距可能是其導(dǎo)電性的關(guān)鍵。

超分辨率顯微鏡采用了一種技巧來克服光學(xué)顯微鏡的衍射極限，這阻止了傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡解析小于光波長(zhǎng)一半大小的物體，對(duì)于可見光約為300納米。

STORM涉及將閃爍的光源附加到單個(gè)分子上，然后獨(dú)立于其他分子隔離每個(gè)光的位置，形成完整的圖像，就像1880年代開發(fā)點(diǎn)畫的藝術(shù)家一樣，從單個(gè)油漆點(diǎn)產(chǎn)生圖像。

通常，化學(xué)家將這些閃光源連接到細(xì)胞中所有相同類型的分子，例如所有肌動(dòng)蛋白分子，但由于任何時(shí)候只有一小部分光源閃爍，因此可以精確定位每個(gè)分子的確切位置。Xu說，今天的最佳分辨率約為10納米，大約相當(dāng)于一種蛋白質(zhì)或分子的大小。