科技前沿 | DNA折紙術(shù)與光學成像的碰撞，構(gòu)建光熱操縱細胞膜異質(zhì)性的分子工具
  

本文作者：陳小青 博士

華東師范大學 化學與分子工程學院
 

異質(zhì)性是細胞膜生物物理化學最重要的特性之一。細胞膜上富含膽固醇/鞘脂的高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)域，被稱為脂筏。脂筏充當信號分子組裝平臺，參與多種信號轉(zhuǎn)導過程。

然而，由于脂筏高度動態(tài)特性，成像技術(shù)難以對活細胞上脂筏實時成像，因而脂筏動態(tài)組裝過程與下游信號通路間的難以建立定量關(guān)聯(lián)。

華東師范大學化學與分子工程學院李迪教授團隊長期致力于發(fā)展利用各種物理或化學方法擾動脂筏，探索脂筏的成分、尺寸、壽命等物理參數(shù)與下游信號通路間的關(guān)聯(lián)。
 

 
近期，李迪教授與中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心葛一凡副研究員合作，提出利用局域溫度變化擾動細胞膜功能域分布的策略。
 

圖1. 對細胞膜區(qū)域選擇性加熱分子工具及細胞遷移行為變化
 

研究發(fā)現(xiàn)，局部熱擾動導致的膜流動性變化會改變膜相分離程度，進而影響細胞遷移行為。其中，對非脂筏域的熱擾動能夠大大增加細胞遷移能力。
 
進一步分子機制研究表明，細胞行為變化與整合素重新分布相關(guān)。區(qū)域選擇性加熱改變了細胞膜脂筏域和非脂筏域的界面線張力，穩(wěn)定或失穩(wěn)整合素成簇，進而影響與細胞遷移密切相關(guān)的黏著斑，導致不同的遷移行為變化（圖2）。

 

圖2. 區(qū)域選擇性加熱引起細胞膜不同功能域間界面張力變化
 

與既往研究不同，該工作首次探討了在不干擾質(zhì)膜磷脂構(gòu)成的情況下通過構(gòu)建高空間分辨率的溫度差異，利用物理因素調(diào)控細胞膜異質(zhì)性程度，探索其下游信號通路關(guān)系。該工作開發(fā)的分子工具可用于探索細胞膜異質(zhì)性與細胞功能間關(guān)系，建立細胞膜理化參數(shù)與細胞功能間的關(guān)聯(lián)。

在整個研究中，多種先進的光學成像技術(shù)對于科學現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與解釋都起到了較大的推動作用。

• 基于搭載在倒置顯微鏡（IX73，Evident）上的全內(nèi)反射熒光的熒光相關(guān)光譜技術(shù)(Aohui/Guangzhou)用來表征體外雙分子層L_o和L_d區(qū)域分布及紅外光照前后兩相擴散速率變化情況（圖3），解釋了納米加熱器靶向細胞膜不同功能域引起的細胞遷移行為變化與細胞膜相分離程度相關(guān)。

圖3. 納米加熱器處理誘導筏模擬混合物中脂質(zhì)堆積行為變化

IX73倒置顯微成像平臺

• 基于點掃描激光共聚焦顯微鏡(FV3000，Evident)的熒光漂白后恢復技術(shù)用來表征細胞膜不同功能域在NIR光照前后流動性變化（圖4B,C）。研究人員可以在FV3000上可根據(jù)實驗需求選擇多種刺激區(qū)域形狀，模式多樣；尤其是龍卷風光刺激模塊，激光刺激效率更高。
   
  FV3000的Sychronization模塊將刺激與成像功能靈活編輯成不同的實驗流程，可以大大提高FRAP實驗效率及數(shù)據(jù)的準確性。（傳送門：Evident全新激光掃描共聚焦系統(tǒng)F4000現(xiàn)已發(fā)布）

圖4. 納米加熱器處理后膜流動性變化

FV3000激光掃描共聚焦顯微鏡
 

• 采用適合活細胞高速成像的轉(zhuǎn)盤共聚焦系統(tǒng)(SpinSR, Evident)，觀察并分析不同條件處理后的細胞24 h內(nèi)的運動軌跡（圖5A）。通過分析細胞運動速度、擴展面積等參數(shù)得出光熱細胞非脂筏域能促進細胞遷移。同時在點掃式激光掃描共聚焦顯微鏡(FV3000，Evident)下可清楚觀察到非脂筏域加熱的細胞絲狀偽足突起明顯，且細胞遷移相關(guān)的黏著斑激酶（FAK）與其有良好的共定位（圖5F）。

圖5. 靶向加熱處理導致區(qū)域依賴的細胞遷移變化

轉(zhuǎn)盤共聚焦系統(tǒng)SpinSR
 

• 基于STORM的超高分辨技術(shù)(Micro-fields Optics, Guangzhou)用來表征細胞膜脂筏與非脂筏域分布情況及納米加熱器與細胞膜不同功能域的空間共定位（圖6）。

圖6. 納米加熱器與細胞功能域空間定位