超分辨成像技術(shù)看清細(xì)胞“劊子手”的“行刑”過程

近日，中國(guó)科學(xué)院院士、廈門大學(xué)教授韓家淮和廈門大學(xué)副教授陳鑫團(tuán)隊(duì)借助單分子定位超分辨成像技術(shù)“隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（STORM）”，首次揭示了“壞死小體”在細(xì)胞中的組織結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)細(xì)胞死亡的決定作用，為人類相關(guān)疾病治療干預(yù)提供了新思路。相關(guān)論文已在《自然·細(xì)胞生物學(xué)》上發(fā)表。

超清成像技術(shù)讓推論“眼見為實(shí)”

細(xì)胞是生命體的基本功能單元，而決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵一環(huán)是細(xì)胞的程序性死亡。在細(xì)胞程序性死亡中，有一種形式叫“壞死樣凋亡”，其中起決定作用的一個(gè)重要信號(hào)處理樞紐就是“壞死小體”復(fù)合物。

“壞死小體”在死亡細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)究竟如何？“壞死小體”如何精準(zhǔn)發(fā)力決定細(xì)胞死亡命運(yùn)？這些涉及多個(gè)核心分子（RIP1/RIP3/MLKL）的招募激活和信號(hào)放大/轉(zhuǎn)變等復(fù)雜過程。由于細(xì)胞體尺寸非常微小，例如哺乳動(dòng)物細(xì)胞一般在幾十微米，要觀察到其內(nèi)部“壞死小體”的精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制難度可想而知。

在此前的研究中，科學(xué)家曾借助常規(guī)共聚焦熒光顯微鏡，觀察到細(xì)胞死亡過程會(huì)產(chǎn)生大小不等的“壞死小體”點(diǎn)狀信號(hào)，提示了該信號(hào)樞紐很可能存在動(dòng)態(tài)組裝過程。但“壞死小體”在細(xì)胞中是如何精準(zhǔn)處理復(fù)雜信號(hào)進(jìn)而決定細(xì)胞死亡的，始終是一個(gè)未解的謎團(tuán)。

韓家淮院士和陳鑫團(tuán)隊(duì)借助蓬勃發(fā)展的超分辨成像技術(shù)，嘗試了多種目前較成熟的技術(shù)流派，最終找到了精準(zhǔn)觀察“壞死小體”運(yùn)行機(jī)制的利器——單分子定位超分辨成像技術(shù)（STORM）。

研究人員通過對(duì)STORM成像全流程進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，在生物樣本上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于常規(guī)共聚焦顯微鏡10倍以上的分辨率（13—18納米定位精度）。這些技術(shù)的提升使許多原本看不見、看不清的研究對(duì)象變得清晰明朗，讓原來靠推測(cè)得到的結(jié)論“眼見為實(shí)”。

“壞死小體”這樣殺死細(xì)胞

在歷時(shí)8年的研究中，團(tuán)隊(duì)成員成功觀察到死亡細(xì)胞中的“壞死小體”由初始點(diǎn)團(tuán)樣結(jié)構(gòu)演化為直徑約50納米，長(zhǎng)度約200—600納米的規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)的組裝模式，并且在該規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出明顯的由RIP1/RIP3組成的馬賽克狀分布。

進(jìn)一步的觀察研究發(fā)現(xiàn)，只有馬賽克狀分布中的RIP3區(qū)域滿足一定的尺度要求（如四聚體及以上），才能有效地誘導(dǎo)下游效應(yīng)分子MLKL發(fā)生多聚化，進(jìn)而靶向細(xì)胞膜導(dǎo)致細(xì)胞死亡發(fā)生。同時(shí)，通過抑制關(guān)鍵因子RIP1的激酶活性可以阻礙“壞死小體”的有序馬賽克樣棒狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，從而抑制細(xì)胞死亡。此外，RIP3激酶活性缺失導(dǎo)致的細(xì)胞死亡模式轉(zhuǎn)變也有賴于該結(jié)構(gòu)中的RIP1多聚化程度，這提示了團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的“壞死小體”馬賽克樣組織結(jié)構(gòu)很可能是細(xì)胞內(nèi)控制死亡方式的信號(hào)選擇模塊。

“該結(jié)果在細(xì)胞原位揭示了關(guān)鍵信號(hào)樞紐納米尺度上的組織特性及其對(duì)信號(hào)傳遞/放大/轉(zhuǎn)換的貢獻(xiàn)，為發(fā)展特異性抑制程序性細(xì)胞死亡的干預(yù)手段提供了潛在的切入點(diǎn)，希望我們的發(fā)現(xiàn)能夠?qū)ε两鹕?、多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)退行性疾病、膿毒癥等病原菌感染性疾病的臨床應(yīng)對(duì)和治療有所幫助。”韓家淮介紹。

有望解析更多生物大分子復(fù)合物

細(xì)胞內(nèi)數(shù)量眾多的生物大分子復(fù)合物都是控制生命活動(dòng)的核心功能樞紐，如DNA復(fù)制/轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物和細(xì)胞器膜上的各類轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物等?，F(xiàn)代生物學(xué)的理論基石——細(xì)胞學(xué)說誕生至今已近兩百年，但人類始終無法徹底解析任一細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)/應(yīng)激條件下的分子水平精細(xì)結(jié)構(gòu)，自然也無法隨心所欲地改造/控制細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)保障人類健康和社會(huì)進(jìn)步的宏偉目標(biāo)。

目前單顆粒冷凍電鏡技術(shù)是解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的利器，但面對(duì)細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)巨大、成分復(fù)雜、高度異質(zhì)的功能復(fù)合物，其仍存在較明顯局限性。韓家淮院士和陳鑫團(tuán)隊(duì)的工作證明納米尺度光學(xué)成像是解析此類大型生物大分子復(fù)合物的組織特征和功能模式的可行方案之一。

“細(xì)胞原位‘壞死小體’精細(xì)結(jié)構(gòu)的成功觀測(cè)，無疑加大了我們未來使用超分辨成像技術(shù)揭示更多生命內(nèi)在規(guī)律的信心?！标愽握f，未來隨著前沿成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如單納米分辨精度顯微鏡、冷凍斷層掃描技術(shù)等，人類終有一天將能夠清晰地觀察到時(shí)刻運(yùn)轉(zhuǎn)著的，神奇的生命內(nèi)在規(guī)律。