南開新聞網訊（通訊員 潘雷霆）細胞骨架主要包括微管、微絲及中間纖維，與細胞內的遺傳系統、生物膜系統並稱「細胞內的三大系統」，共同維持和保證細胞內部結構和功能有序性。近日，南開大學物理科學學院潘雷霆副教授、許京軍教授研究團隊與美國加州大學伯克利分校Ke Xu教授團隊基於超分辨光學成像技術在細胞中間纖維骨架動力學變化特性方面研究獲重要進展，相關成果以封底（Back Cover）論文形式發表在國際知名綜合類學術期刊《Advanced Science》（IF:15.804），題為「Hypotonic stress induces fast, reversible degradation of the vimentin cytoskeleton via intracellular calcium release」。
作為一種有效的細胞控制手段，外部滲透壓環境可調節細胞的形態和細胞膜表面張力，影響胞內蛋白的濃度和相互作用，參與細胞生理病理過程。潘雷霆副教授、許京軍教授課題組前期研究發現低滲環境可誘發關節炎滑膜細胞鈣離子內流、炎症小分子ATP的快速釋放和細胞內氧自由基的生成，並最終促進滑膜細胞的增殖能力（BBRC, 2017, 486: 108），以及利用低滲調控發現特定劑量的長波紫外輻照可降低紅細胞滲透脆性並有效保護和維持紅細胞雙凹圓餅狀形態（Cell Death Discovery, 2017, 3:17040）。
滲透壓雖然可以有效調控細胞體積形態，但該過程關鍵組分—細胞骨架系統響應滲透壓環境的變化機制仍不清楚。因此，課題組與Ke Xu教授研究組合作，利用隨機光學重構超分辨成像技術（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM）研究了低滲環境對Cos7細胞骨架系統尤其是中間纖維骨架的影響。中間纖維含量豐富、尺寸較小，常規顯微成像難以對其進行有效觀察和研究。該工作中，解析度約為25 nm的STORM超分辨成像系統清晰地顯示低滲刺激可以使得Cos7細胞vimentin中間纖維從長絲狀快速（5分鐘）變成短片段狀，甚至是碎點狀。而恢復至正常滲透壓環境後，vimentin又可重新組裝並恢復成長絲狀。但常規認為動態性相對較強的微管和微絲骨架在低滲作用下卻沒有發生明顯解聚現象。隨後，結合蛋白免疫印跡實驗、定量鈣成像手段及藥理學方法，證明低滲引起的vimentin中間纖維解聚是通過IP3-Ca2+-calpain信號通路實現，即低滲引起細胞內質網上IP3敏感的鈣庫釋放，引發細胞質鈣濃度升高，隨後激活了鈣蛋白酶calpain，使之快速剪切絲狀vimentin變成片段狀，甚至是單體，不是簡單的物理化學解聚。總之，依靠STORM超分辨成像直觀清晰地觀察到低滲對Cos7細胞骨架三種主要成分微管、微絲、中間纖維不同的調控方式，發現中間纖維雖然被認為相對穩定，但是其在特定條件下反而比微管、微絲呈現更高度的動態性，快速地進行組裝和去組裝，以利於細胞及時改變力學性質，相關結果揭示了中間纖維骨架網絡新的組裝特性和作用機理。
該文第一作者是潘雷霆副教授，通訊作者為加州大學伯克利分校Ke Xu教授，南開大學為第一作者單位。該工作得到了國家自然科學基金、天津市自然科學基金和創新團隊發展計劃等項目資助。
文章連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900865