尖端技术揭示细胞内部的结构

　　摄氏-196度的温度使细胞内部的高分辨率成像成为可能。因此，奥地利科学和技术研究所(IST)的研究人员首次能够展示蛋白质复合体的活性形式在细胞运动和其他重要生物学功能中的关键作用。相关研究发表在近期的《自然通讯》杂志上。
　　许多细胞持续运动。有些人从A迁移到B，用尖端的小＂脚＂来治愈伤口或对抗病原体，这就是所谓的薄片。这些薄薄的扩展是向前推进，并绑定到表面，而其余的细胞被拉走。在这些脚内有一个紧密的网络，由交织在一起的蛋白质线组成，称为肌动蛋白丝形成细胞的细胞骨架。到目前为止，尚不清楚 Arp 2/3 复合物，一个由7种蛋白质组成的复合物对细胞运动，新芽肌动蛋白从先前存在的细丝，从而产生密集的分支网络提供所需的突出力给细胞。
　　艰难选择
　　直到现在，科学家们还必须决定何时才能分析 Arp 2/3 复合物的结构：一种选择是孤立地研究 Arp 2/3 复合物，在这种情况下，蛋白质复合物处于不活跃的构象中，因此无法理解网络是如何形成的。然而，为了完全激活，Arp 2/3 复合物需要与肌动蛋白丝结合。这需要使用一个名为电子层析成像这是以低得多的分辨率为代价的。＂以前 Arp 2/3 复合物在试管环境中与肌动蛋白纤维结合的电子断层数据太不精确，因此不可能清楚地指出复合物的各个元素必须位于哪里，＂Florian Fäßler解释说。他是研究论文的作者之一。
　　两年多来，他一直在寻找一种方法来观察蛋白质复合体在其自然环境中的作用，以便能够精确地分析单个结构。现在，他已经成功地将这种复合物成像在小鼠细胞的板层内，其活性的肌动蛋白结合构象。
　　分子生物学家弗洛里安·舒尔（Florian Schur）说：＂我们对自己说：好吧，我们要进入这个细胞，那里的环境要复杂得多，因为不仅有蛋白质复合物和肌动蛋白丝，还有各种各样的其他东西。但这是我们能够维持这个网络的唯一方法，我们可以确定它的结构。＂
　　蛋白复合物Arp 2/3与肌动蛋白丝(灰色)结合时有7个亚基(着色)。
　　休克冷冻细胞
　　这是由摄氏-196度的温度造成的。在几毫秒内，研究人员冻结了样品--期间不允许冰晶形成，这会破坏细胞的精细结构。然后他们使用了最强大的冷冻设备之一-电子冷冻镜--也是奥地利唯一这样的一种--用冷冻电子断层成像从不同的角度对细胞进行成像。这样，研究小组收集了足够的数据，用于10,000多个Arp2/3复合物在其活动状态下的三维重建。结合先进的图像处理，他们生成了 Arp 2/3 复合物的三维模型，分辨率小于1纳米。相比之下，人类的头发大约有5万纳米厚。
　　＂我们现在可以比较准确地描述蛋白复合物及其亚基及其如何形成肌动蛋白长丝网络在以前生活的薄片中细胞。五年前，很可能没人会想到这是可以做到的，＂舒尔补充道。
　　达到极限
　　由于先进的方法，研究小组驳斥了早先的模型，该模型假设 Arp2/3 复合物和肌动蛋白纤维之间的面积更大。然而，科学家们证实了这种复合物是如何被调控并形成新的肌动蛋白丝的其他方面。有了这些知识，其他科学家现在可以更好地理解这一重要问题。蛋白质复合物其调节和活动的多重作用超出了细胞运动和疾病的发展。
　　舒尔说：＂我们所做的就是在方法和分辨率方面尽可能地利用这些复杂的样本。通过目前的决议，我们获得了新的生物学洞察力，但它也是一种方法上的进步，表明它是可能的。＂Florian Fäßler 现在希望进一步改进该方法，以可视化其他蛋白质，并探索该方法允许我们在细胞内观察的范围。＂我们才刚刚开始意识到冷冻电子断层成像的全部潜力，＂舒尔说。
　　更多资料：Florian Fäßler et al. Cryo-electron tomography structure of Arp2/3 complex in cells reveals new insights into the branch junction, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-20286-x