超分辨率显微镜显示细胞网的精细细节

今天最锐利的成像工具之一，超分辨率显微镜，产生闪亮的图像，直到现在一直是模糊的细胞内部，不仅详细介绍细胞的内部器官和骨骼，还提供细胞惊人的灵活性的见解。

在该杂志的最新一期细胞报道，柯Xu和他的同事在加州大学伯克利分校使用技术来提供测地线网格的尖锐观点，即支持外膜一个的红血细胞，揭示了为什么这些细胞是坚固而灵活的足够当它们将氧气输送到我们的组织时挤压狭窄的毛细血管。

这一发现最终有助于揭示疟疾寄生虫在入侵并最终摧毁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相互作用，但它是如何做到的还不清楚，因为没有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正常健康细胞的真实情况，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。”

典型的人体细胞具有支撑外膜的二维骨架和支撑内部所有细胞器的三维内部骨架，并且用作整个细胞的运输系统。

然而，红细胞仅具有膜支持物而没有内部支架，因此它们基本上是充满携带氧的血红蛋白分子的球囊。由于其结构简单，红细胞非常适合研究支持所有细胞膜的骨架。

早期的电子显微镜图像显示，红细胞中的亚膜细胞骨架是一个三角形的蛋白质网状结构，让人联想到一个测地圆顶。但测量三角形亚单元的大小是通过压平死亡和干燥的细胞的圆顶膜来实现的，这会使结构扭曲。

暴露细胞骨架

徐先生是哈佛大学实验室的博士后研究员，他是超分辨率显微镜的发明者之一，肖伟伟，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，适用于湿细胞和活细胞。

使用STORM，Xu，前Berkeley博士后Leiting Pan和研究生Rui Yan能够对新鲜红血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三角形。电子显微镜：每边长80纳米，而不是190纳米。

区别至关重要：网格的构建块是一种叫做“光谱分析”的蛋白质，可以拉伸到最大长度约190纳米。Xu说，如果网状物是由拉伸的血影素制成的，那将是僵硬的。但由于它的正常长度是一个宽松的80纳米，它就像一个弹簧。

“它更像是处于松弛状态的弹簧，在压缩或拉伸下具有很大的弹性，因此在不同的生理条件下，例如通过狭窄的毛细管挤压，使红细胞具有很大的弹性，”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。肌动蛋白是亚膜细胞骨架的标准部分，是细胞的主要结构成分之一。

网格中的泪水

有趣的是，STORM揭示了细胞骨架网中从未见过的洞，这也可能对其灵活性至关重要。

“这是网络中的一个缺陷，但可能有一个原因，”徐说，他也是Chan Zuckerberg Biohub调查员。“当细胞穿过毛细血管时，细胞会想要快速改变结构，有这些缺陷有助于重新组织形状而不会破坏网状物。它可以作为一个弱点，因为它们试图挤压东西，它们可以开始围绕这些点弯曲。“

徐实际上发现了血影蛋白的关键结构作用。在哈佛大学期间，他使用STORM来观察神经元的骨骼结构，并发现肌动蛋白在轴突的整个长度上形成精确间隔的环 - 可能长达一英尺长 - 就像一条龙的肋骨一样。蛇。它们正好相隔190纳米，当他通过教科书查看那个长度的蛋白质时，他遇到了血影素。他随后使用STORM确认在其伸展状态下，血影蛋白是环之间的间隔物，使它们保持精确分离。

“环状骨架使轴突成为一种非常稳定但可弯曲的结构，”徐说，而规则的间距可能是其导电性的关键。

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，这阻止了传统的光学显微镜解析小于光波长一半大小的物体，对于可见光约为300纳米。

STORM涉及将闪烁的光源附加到单个分子上，然后独立于其他分子隔离每个光的位置，形成完整的图像，就像1880年代开发点画的艺术家一样，从单个油漆点产生图像。

通常，化学家将这些闪光源连接到细胞中所有相同类型的分子，例如所有肌动蛋白分子，但由于任何时候只有一小部分光源闪烁，因此可以精确定位每个分子的确切位置。Xu说，今天的最佳分辨率约为10纳米，大约相当于一种蛋白质或分子的大小。

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