很多時候我們的細胞需要移動。移動細胞指導我們的身體形成(胚胎發(fā)育)。免疫細胞漫游以捕獲不想要的入侵者。愈合細胞(成纖維細胞)遷移到修補傷口。但并非所有運動都是可取的：當癌細胞獲得遍布全身的運動能力(轉(zhuǎn)移)時，腫瘤最危險。某些細菌和病毒可以利用細胞的運動機制侵入我們的身體。了解細胞如何移動 - 以及驅(qū)動該過程的棒狀肌動蛋白絲 - 是學習如何停止或促進運動以改善人類健康的關(guān)鍵。

現(xiàn)在，使用世界上最強大的顯微鏡之一，Sanford Burnham Prebys醫(yī)學發(fā)現(xiàn)研究所(SBP)和北卡羅來納大學教堂山分校(UNC-Chapel Hill)的科學家發(fā)現(xiàn)了一種致密，動態(tài)和無組織的肌動蛋白絲納米支架 - - 類似大海撈針 - 是響應分子信號而誘發(fā)的。這是研究人員首次在分子水平上直觀地觀察到一種響應細胞信號而觸發(fā)的結(jié)構(gòu) - 這一重要發(fā)現(xiàn)擴展了我們對細胞如何運動的理解。這項研究結(jié)果發(fā)表在國家科學學院院刊美利堅合眾國(的PNAS)。

“細胞電子顯微鏡正在徹底改變我們對細胞內(nèi)部運作的理解，”該論文的高級作者，SBP生物信息學和結(jié)構(gòu)生物學項目教授Dorit Hanein博士說。“這項技術(shù)使我們能夠收集細胞區(qū)域的強大3D圖像 - 類似于MRI，可以創(chuàng)建我們身體的詳細圖像。我們能夠在自然狀態(tài)下可視化細胞，從而揭示了前所未有的肌動蛋白納米 - 細胞內(nèi)的構(gòu)架。“

在這項研究中，科學家們使用SBP的低溫電子顯微鏡(Titan Krios)，人工智能(AI)和量身定制的計算和細胞成像方法來比較小鼠成纖維細胞的納米級圖像和熒光Rac1(一種蛋白質(zhì))的時間標記光圖像。調(diào)節(jié)細胞運動，對力或應變(機械傳感)和病原體入侵的反應。這種技術(shù)復雜的工作流程 - 規(guī)模達到五個數(shù)量級(數(shù)十微米到幾納米) - 需要數(shù)年才能發(fā)展到目前的穩(wěn)健性和準確性水平，并且通過結(jié)構(gòu)生物學家團隊的實驗和計算工作成為可能。 SBP和UNC-Chapel Hill的生物傳感器團隊。

圖像顯示了由短肌動蛋白桿組成的密集，無組織，類似支架的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在Rac1被激活的特定區(qū)域中出現(xiàn)，并在Rac1信號停止時迅速消散 - 僅需2.5分鐘。這種動態(tài)支架與低Rac1激活區(qū)域中的各種其他肌動蛋白組件形成鮮明對比 - 一些由肌動蛋白長而對齊的棒組成，另一些由長肌動蛋白絲兩側(cè)分支的短肌動蛋白棒組成。包裹肌動蛋白支架的體積缺乏常見的細胞結(jié)構(gòu)，例如核糖體，微管，囊泡等，可能是由于結(jié)構(gòu)的密度很大。

“我們感到驚訝的是，實驗后的實驗揭示了這些與Rac1活化相關(guān)的區(qū)域中未對齊，密集的肌動蛋白棒的獨特熱點，”Niels Volkmann博士說，他是該論文的共同通訊作者，領(lǐng)導計算部分這項研究，以及SBP生物信息學和結(jié)構(gòu)生物學項目的教授。“我們認為這種疾病實際上是支架的強弱 - 它可以提供靈活性和多功能性，以建立更大，更復雜的肌動蛋白絲結(jié)構(gòu)，以響應其他局部空間線索。”

接下來，科學家們希望擴展該協(xié)議，以便可視化更多為響應其他分子信號而創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)，并進一步開發(fā)該技術(shù)以允許進入細胞的其他區(qū)域。

“這項研究只是一個開始?，F(xiàn)在我們開發(fā)了這種定量納米級工作流程，將動態(tài)信號傳導行為與電子冷凍斷層掃描的納米級分辨率相關(guān)聯(lián)，我們和其他科學家可以實施這種強大的分析工具，不僅可以破譯內(nèi)部工作原理。細胞運動，但也用于闡明在不受干擾的細胞環(huán)境中許多其他大分子機器的動力學，“Hanein說。

她補充道，“肌動蛋白是一種結(jié)構(gòu)蛋白;它與超過150種肌動蛋白結(jié)合蛋白相互作用，產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)都具有獨特的功能。我們有多余的不同信號，我們想要繪制，甚至可以產(chǎn)生更多關(guān)于細胞如何移動的見解。“