科研人員開發新型超分辨成像技術揭示細胞器互作新現象

最新 11-01

近日，中國科學院生物物理研究所李棟課題組與美國霍華德休斯醫學研究所博士Eric Betzig、Jennifer Lippincott-Schwartz合作在《細胞》（Cell）雜誌發表研究論文「Visualizing intracellular organelle and cytoskeletal interactions at nanoscale resolution on millisecond timescales」。該文首創了掠入射結構光照明超分辨成像技術（GI-SIM），可對細胞內的生理過程進行高速、長時程、超解析度成像，利用該技術發現了多種細胞器間相互作用新行為。

GI-SIM可對活細胞以97納米解析度、266幅每秒的成像速度連續成像近萬幅超分辨圖像。與李棟先前開發的全內反射結構光照明超分辨成像技術（TIRF-SIM; Li et al.,Science, 2015）相比，GI-SIM的成像深度以及所產生的信號量都提高了10倍；與傳統共聚焦或轉盤共聚焦顯微鏡相比，GI-SIM可提供2倍更高的空間解析度以及10倍更快的成像速度；與其它超分辨成像技術相比，在細胞尺寸的視場範圍下，GI-SIM可提供~10倍更快的成像速度，以及10-100倍更長的成像時程。GI-SIM實現了對細胞內多種細胞器動態的最優化二維超分辨成像，這使得研究人員發現了多種細胞器互作新行為。例如：

（1）管狀內質網的三種新型延伸方式。

內質網的網路結構的形成是由管狀內質網的不斷延伸和融合完成的。之前的研究工作指出，管狀內質網的延伸方式存在滑行（Sliding）和微管聚合端共生長（pTAC）兩種，該研究發現了微管解聚端牽引（dTAC）、搭便車（Hitchhiking）和微管非依賴（Budding）三種管狀內質網延伸方式。

（2）線粒體與內質網的互作影響線粒體的分裂與融合。

線粒體的分裂與內質網關係密切，統計發現有大約85%的線粒體分裂事件發生在線粒體與內質網的接觸位點（contact sites）。研究進一步發現約60%的線粒體融合事件發生在線粒體與內質網的接觸位點，並且與內質網接觸的線粒體融合事件通常快於那些沒有與內質網接觸的融合事件。

（3）多色GI-SIM成像發現溶酶體-內質網互作對調控溶酶體在細胞內的動態運輸和分布起關鍵作用。

（4）過去的研究僅發現內質網可通過融合來改變其網路結構，該研究首次觀測到處於運動狀態的溶酶體可引起管狀內質網的瞬時斷裂。

（5）該研究首次在哺乳動物細胞中證實不同種細胞器間存在廣泛的「搭便車」（Hitchhiking）互作現象，並觀測到線粒體、內質網等細胞器的形態改變和遷移可通過搭載到其它正在運動的細胞器上實現，而無需其直接招募馬達蛋白。

李棟課題組博士研究生郭玉婷和助理研究員李迪為並列第一作者，博士研究生張思微為第二作者。李棟和Eric Betzig、Jennifer Lippincott-Schwartz為共同通訊作者。中科院遺傳與發育生物學研究所劉佳佳課題組、杜克大學Dan Kiehart課題組合作參與了該課題。

該課題得到中科院先導B類項目、國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目的資助。