超分辨成像技術看清細胞“劊子手”的“行刑”過程

近日，中國科學院院士、廈門大學教授韓家淮和廈門大學副教授陳鑫團隊借助單分子定位超分辨成像技術“隨機光學重建顯微鏡（STORM）”，首次揭示了“壞死小體”在細胞中的組織結構特征及其對細胞死亡的決定作用，為人類相關疾病治療干預提供了新思路。相關論文已在《自然·細胞生物學》上發表。

超清成像技術讓推論“眼見為實”

細胞是生命體的基本功能單元，而決定細胞命運的關鍵一環是細胞的程序性死亡。在細胞程序性死亡中，有一種形式叫“壞死樣凋亡”，其中起決定作用的一個重要信號處理樞紐就是“壞死小體”復合物。

“壞死小體”在死亡細胞中的結構究竟如何？“壞死小體”如何精準發力決定細胞死亡命運？這些涉及多個核心分子（RIP1/RIP3/MLKL）的招募激活和信號放大/轉變等復雜過程。由于細胞體尺寸非常微小，例如哺乳動物細胞一般在幾十微米，要觀察到其內部“壞死小體”的精準調控機制難度可想而知。

在此前的研究中，科學家曾借助常規共聚焦熒光顯微鏡，觀察到細胞死亡過程會產生大小不等的“壞死小體”點狀信號，提示了該信號樞紐很可能存在動態組裝過程。但“壞死小體”在細胞中是如何精準處理復雜信號進而決定細胞死亡的，始終是一個未解的謎團。

韓家淮院士和陳鑫團隊借助蓬勃發展的超分辨成像技術，嘗試了多種目前較成熟的技術流派，最終找到了精準觀察“壞死小體”運行機制的利器——單分子定位超分辨成像技術（STORM）。

研究人員通過對STORM成像全流程進行細致優化，在生物樣本上實現了優于常規共聚焦顯微鏡10倍以上的分辨率（13—18納米定位精度）。這些技術的提升使許多原本看不見、看不清的研究對象變得清晰明朗，讓原來靠推測得到的結論“眼見為實”。

“壞死小體”這樣殺死細胞

在歷時8年的研究中，團隊成員成功觀察到死亡細胞中的“壞死小體”由初始點團樣結構演化為直徑約50納米，長度約200—600納米的規則棒狀結構的組裝模式，并且在該規則棒狀結構中呈現出明顯的由RIP1/RIP3組成的馬賽克狀分布。

進一步的觀察研究發現，只有馬賽克狀分布中的RIP3區域滿足一定的尺度要求（如四聚體及以上），才能有效地誘導下游效應分子MLKL發生多聚化，進而靶向細胞膜導致細胞死亡發生。同時，通過抑制關鍵因子RIP1的激酶活性可以阻礙“壞死小體”的有序馬賽克樣棒狀結構的產生，從而抑制細胞死亡。此外，RIP3激酶活性缺失導致的細胞死亡模式轉變也有賴于該結構中的RIP1多聚化程度，這提示了團隊發現的“壞死小體”馬賽克樣組織結構很可能是細胞內控制死亡方式的信號選擇模塊。

“該結果在細胞原位揭示了關鍵信號樞紐納米尺度上的組織特性及其對信號傳遞/放大/轉換的貢獻，為發展特異性抑制程序性細胞死亡的干預手段提供了潛在的切入點，希望我們的發現能夠對帕金森病、多發性硬化癥等神經退行性疾病、膿毒癥等病原菌感染性疾病的臨床應對和治療有所幫助。”韓家淮介紹。

有望解析更多生物大分子復合物

細胞內數量眾多的生物大分子復合物都是控制生命活動的核心功能樞紐，如DNA復制/轉錄起始復合物和細胞器膜上的各類轉運復合物等。現代生物學的理論基石——細胞學說誕生至今已近兩百年，但人類始終無法徹底解析任一細胞在穩態/應激條件下的分子水平精細結構，自然也無法隨心所欲地改造/控制細胞，實現保障人類健康和社會進步的宏偉目標。

目前單顆粒冷凍電鏡技術是解析蛋白質結構的利器，但面對細胞內結構巨大、成分復雜、高度異質的功能復合物，其仍存在較明顯局限性。韓家淮院士和陳鑫團隊的工作證明納米尺度光學成像是解析此類大型生物大分子復合物的組織特征和功能模式的可行方案之一。

“細胞原位‘壞死小體’精細結構的成功觀測，無疑加大了我們未來使用超分辨成像技術揭示更多生命內在規律的信心。”陳鑫說，未來隨著前沿成像技術的進一步發展，如單納米分辨精度顯微鏡、冷凍斷層掃描技術等，人類終有一天將能夠清晰地觀察到時刻運轉著的，神奇的生命內在規律。