中科院学者最新Cell文章:一种观测细胞内动态过程的新技术

发布时间:2018-10-31 14:41

中国科学院生物物理研究所,美国霍华德休斯医学研究所的研究人员发表了题为“Visualizing intracellular organelle and cytoskeletal interactions at nanoscale resolution on millisecond timescales”的文章,介绍了一种观测细胞内动态过程的新技术——掠入射-结构光照明超高分辨率显微成像技术(GI-SIM, Grazing Incidence Structured Illumination Microscopy),该技术克服了全内反射荧光成像(TIRF)的成像深度局限,实现了快速(266帧/秒)、高分辨率(97nm)的活细胞超分辨成像,为解析细胞中细胞器(内质网、线粒体等)膜相互作用及微管功能的研究提供了新的洞见。

   

这一研究成果公布在Cell杂志上,文章的通讯作者为生物物理研究所李栋,美国霍华德休斯医学研究所Eric Betzig博士和Jennifer Lippincott-Schwartz博士。

在真核细胞中,细胞器与细胞骨架实时发生高度动态、同时又被严密调控的相互作用,以协调复杂的细胞功能。观测这些动态过程,需要对细胞的内部环境进行非侵入性的、长时程的成像,并要求成像技术应具备非常高的时-空分辨率,以及很低的成像背景。


图1. 比较TIRF, WF, GI SIM的照明方式(A). 由全内反射(TIRF)产生的倏逝波光场呈指数衰减的轴向强度剖面,这限制了它的光照深度在质膜附近。因此,在相应的长程结构照明显微镜下只能看到ER网络的碎片。(B). 传统的宽视场(WF)模式照亮整个细胞体积,这样对焦结构如皮质ER被对焦背景遮挡。(C). 临界入射(GI)产生的薄层厚度与聚焦深度匹配(DOF)的高数值孔径目的是照亮整个体积的基底细胞皮层,包括皮质ER网络,在相应的GI-SIM图像中有最小的失焦背景。   


为达到这些通常情况下相互矛盾的目标,李栋课题组等发展了掠入射-结构光照明超高分辨率显微成像技术(GI-SIM, Grazing Incidence Structured Illumination Microscopy)这种新的成像方法。该方法能够突破现有技术局限,对细胞基底膜附近的动态过程以97nm分辨率,266帧/秒的速度,进行超过数千时间点的持续成像。

利用多色GI-SIM技术,李栋课题组研究了多种细胞器与细胞骨架的快速动态相互作用,为人们提供了对这些结构之间复杂行为的新认识。精确测量微管生长或者收缩事件有助于区分微管动态不稳定性模型。分析内质网与其它细胞器或者微管的相互作用,揭示了新的内质网重塑机制(微管解聚端牵引、搭便车和微管非依赖三种管状内质网延伸方式);研究还发现了内质网-线粒体接触点能够促进线粒体的分裂与融合(约60%的线粒体融合事件发生在线粒体与内质网的接触位点,并且与内质网接触的线粒体融合事件通常快于那些没有与内质网接触的融合事件);首次观测到处于运动状态的溶酶体可引起管状内质网的瞬时断裂;首次在哺乳动物细胞中证实不同种细胞器间存在广泛的“搭便车”(Hitchhiking)互作现象,并观测到线粒体、内质网等细胞器的形态改变和迁移可通过搭载到其它正在运动的细胞器上实现,而无需其直接招募马达蛋白。

原文标题:Visualizing intracellular organelle and cytoskeletal interactions at nanoscale resolution on millisecond timescales

来源:中科院生物成像中心

Cell:细胞治疗领域观察者

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