cryo-electron tomography, 冷冻电镜, 冷冻电子断层扫描 • 1 min reading time

优化的冷冻电子断层扫描工作流程如何使跨膜运输研究受益?

真核细胞包含一个复杂的膜结合细胞器网络,作为细胞活动所需过程的场所。

细胞器需要与细胞其他部分不断相互作用,这个过程是通过在所有细胞器之间穿梭并由此连接细胞的所有部分的膜包裹的囊泡和小管的网络来实现的,而囊泡运输和细胞器之间的膜接触的动态过程称为跨膜运输。

跨膜运输是非常快速且动态的。因此,活细胞荧光显微镜是研究细胞运输途径的首选方法。但是,跨膜运输过程的许多结构(例如,内吞囊泡和膜折叠)都比光学显微镜能分辨的尺寸更小。对此,我们可以使用电子显微镜获取有关细胞隔室的高分辨率信息。科学家已经使用透射电子显微镜(TEM)研究了细胞器、囊泡和小管的形态,为我们目前对细胞组织的理解奠定了基础。

透射电子显微镜需要使用到细胞的薄切片。因此,细胞器始终只能被看作薄片的投影。但是,细胞器和囊泡具有非常复杂的3D形状,这些结构与它们的功能密切相关。然而,使用透射电子显微镜提取3D信息非常困难,这就是电子断层扫描近年来成为在膜室中获取3D结构信息的宝贵工具的原因。科学家已经使用电子断层扫描观察到了被透射电子显微镜所忽略的细胞多方面的生物结构及活动。(例如自噬体形成[1]和高尔基体的3D结构[2]和内质网[3])。

借助冷冻电子断层扫描(cryo-ET),我们可以在低温下获取高分辨率3D信息。冷冻成像可保留细胞中膜区室和蛋白质复合物的形态。因此,可以获取有关驻留在膜上的蛋白质复合物的结构信息,以提供有关所讨论隔室的其他信息。高分辨率与近乎自然的超微结构形态相结合,为跨膜运输领域的进一步观察研究打开了大门。传统方法上,我们仅能足够详细地观察到蛋白质复合物(如,网格蛋白和核糖体)以鉴定特定的膜,而通过使用冷冻电子断层扫描,我们可以解析并在其天然膜上进行详细研究[4]。

冷冻电子断层扫描有望通过将细胞内膜的3D高分辨率近自然形态学细节与膜驻留蛋白复合物的结构信息相结合,进一步推进跨膜运输领域的研究发展。

References

[1] M. Hayashi-Nishino, N. Fujita, T. Noda, A. Yamaguchi, T. Yoshimori, and A. Yamamoto, “A subdomain of the endoplasmic reticulum forms a cradle for autophagosome formation,” Nat. Cell Biol., vol. 11, no. 12, pp. 1433–1437, Dec. 2009, doi: 10.1038/ncb1991.

[2] M. S. Ladinsky, J. R. Kremer, P. S. Furcinitti, J. R. McIntosh, and K. E. Howell, “HVEM tomography of the trans-Golgi network: Structural insights and identification of a lace-like vesicle coat,” J. Cell Biol., vol. 127, no. 1, pp. 29–38, Oct. 1994, doi: 10.1083/jcb.127.1.29.

[3] M. E. Martone, Y. Zhang, V. M. Simpliciano, B. O. Carragher, and M. H. Ellisman, “Three-dimensional visualization of the smooth endoplasmic reticulum in Purkinje cell dendrites,” J. Neurosci., vol. 13, no. 11, pp. 4636–4646, 1993, doi: 10.1523/jneurosci.13-11-04636.1993.

[4] F. Brandt, L. A. Carlson, F. U. Hartl, W. Baumeister, and K. Grünewald, “The Three-Dimensional Organization of Polyribosomes in Intact Human Cells,” Mol. Cell, vol. 39, no. 4, pp. 560–569, Aug. 2010, doi: 10.1016/j.molcel.2010.08.003.

Caspar Jonker