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暴风雨揭示了细胞骨架网格中从未见过的洞

发布时间:2018-05-14

超分辨率显微镜揭示了红细胞膜下的二维三角蛋白网状结构。 (柯旭形象)

当今最尖锐的成像工具之一,超分辨率显微镜,能够产生闪烁的图像,直到现在一直是细胞模糊的内部,不仅详细描述细胞的内部器官和骨骼,还提供对细胞惊人灵活性的洞察。

在本期“细胞报道”期刊中,加州大学伯克利分校的柯旭及其同事利用该技术提供了支持红细胞外膜的测地网格的清晰视图,揭示了为什么这些细胞足够坚固而且足够灵活当它们携带氧气到我们的组织时挤压通过狭窄的毛细血管。

这一发现最终有助于揭示疟疾寄生虫在侵入并最终破坏红细胞时如何劫持这种称为亚膜细胞骨架的网状物。

“人们知道寄生虫与细胞骨架发生相互作用,但它如何发挥作用还不清楚,因为没有很好的方法来观察结构,”化学助理教授徐说。 “现在我们已经解决了一个正常健康细胞的实际情况,我们可以询问寄生虫感染的变化以及药物如何影响相互作用。”

典型的人类细胞具有二维骨架,支撑外部膜和三维内部骨架,支撑所有细胞器内部,并作为贯穿细胞的运输系统。

然而,红细胞仅具有膜支撑并且没有内部脚手架,因此它们基本上是充满携氧血红蛋白分子的气囊。由于其结构更简单,红血细胞非常适合研究支持所有细胞膜的骨架。

较早的电子显微镜图像显示红血细胞中的膜下细胞骨架是三角形蛋白质网格,使人想起测地圆顶。但是三角形亚基的大小的测量是通过弄平死亡和干燥的细胞的圆顶膜来进行的,该细胞扭曲了结构。

用染料标记血影蛋白分子的一端揭示它与三角形网格的顶点处的肌动蛋白连接的位置。超分辨率显微镜揭示了顶点之间有80纳米的距离,以及网格中的无意识缺口 - 可能允许红细胞自我重塑而不会断裂的弱点。

暴露细胞骨架

Xu是超分辨率显微镜的发明人之一哈维大学实验室的一名博士后研究员,小伟庄,是STORM(随机光学重建显微镜)版本的专家。超分辨率显微镜的分辨率比标准光学显微镜高10倍左右,适用于潮湿和活细胞。

使用暴风雪,Xu,前伯克利博士后Leiting Pan和研究生Rui Yan能够对新鲜红细胞的完整亚膜细胞骨架进行成像,并发现网格的三角形大约是之前测量的一半尺寸电子显微镜:每边长80纳米,而不是190纳米。

这种区别是至关重要的:网格的构建模块是一种称为血影蛋白的蛋白质,可以将其拉伸至最大长度约190纳米。 Xu说,如果网状物是由伸展的血影蛋白制成的,那么它就会变硬。但是由于它的正常长度是一个轻松的80纳米,它就像一个弹簧。 “它更像是一种处于松弛状态的弹簧,它在压缩或拉伸时具有很大的弹性,因此在不同的生理条件下,红细胞具有很大的弹性,例如通过狭窄的毛细管挤压。”Yan说。

在网格的顶点,五到六个血影蛋白聚集在一起,是一种不同的蛋白质:肌动蛋白。肌动蛋白是细胞膜下细胞骨架的标准部分,也是细胞的主要结构成分之一。

在神经元的轴突中标记血影蛋白分子,显示它们被拉伸至其全长190纳米。

网眼中的泪水

有趣的是,STORM揭示了细胞骨架网格中前所未见的孔洞,这也可能对其灵活性至关重要。

“这是网络中的一个缺陷,但这可能是有原因的,”Xu也是Chan Zuckerberg Biohub调查员。 “细胞会在通过毛细血管时迅速改变结构,并且这些缺陷有助于重新组织形状而不会破坏网状结构。它可以作为一个弱点,因为他们试图挤压事物,他们可以开始弯曲这些点。“

Xu实际上发现了血影蛋白的关键结构作用。在哈佛期间,他利用暴风雪观察了神经元的骨架结构,发现肌动蛋白沿轴突的整个长度形成了精确间隔的环 - 可以达到一英尺长 - 非常像一根肋骨蛇。它们相距190纳米,当他通过教科书查看这种长度的蛋白质时,他发现了血影蛋白。他随后使用STORM来确认在其伸展状态下,血影蛋白是环之间的间隔物,使它们精确分离。

Xu说:“环状骨架使轴突变成一个非常稳定但可弯曲的结构,而规则间距可能是其导电性的关键。

STORM可以提供细胞内部骨架的清晰图像,例如上皮细胞。

超分辨率显微镜采用了一种技巧来克服光学显微镜的衍射极限,该技术可防止传统光学显微镜分辨小于光波长一半大小的物体,对于可见光波长约为300纳米。

风暴涉及将闪烁的光源附加到单个分子上,然后独立于每个分子独立于每个分子,从而形成一幅完整的图像,就像十八世纪八十年代开发点画派的艺术家一样,从各个绘画点产生图像。

通常化学家将这些闪光源与细胞中所有类型相同的分子(如所有肌动蛋白分子)连接起来,但由于在任何时候只有一小部分来源闪烁,因此可以精确确定每个分子的确切位置。徐说,今天最好的分辨率大约是10纳米,大约是单个蛋白质或分子的大小。

发表:Leiting Pan等人,“超分辨率显微镜揭示了红细胞细胞骨架的天然超微结构”,Cell Reports,2018; DOI:10.1016 / j.celrep.2017.12.107

来源:罗伯特桑德斯伯克利新闻

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