Nature:幹涉測量光激活定位顯微技術(iPALM)發現細胞粘著斑蛋白...

來自美國國立衛生研究院，霍德華休斯醫學院，佛羅裡達州立大學等處的研究人員利用一種稱為幹涉測量光激活定位顯微技術（iPALM，interferometric photoactivated localization microscopy）的方法，發現了細胞粘著斑(focal adhesion)蛋白的顯微結構，從而為理解這一重要的蛋白結構，以及分析蛋白功能提供了新的信息。這一研究成果公布在Nature雜誌封面上。

這項研究由物理學家與生物學家共同完成，是高解析度顯微鏡技術發展的又一成果。近年來隨著各項工具方法的發展，尤其是物理學界接二連三出現的重大科研進展，顯微技術發展迅速：2008年，本文的作者之一Harald F. Hess與另外一位研究人員利用一部在自家客廳組裝的光學顯微鏡發展出一套光敏定位顯微鏡：PALM觀察細胞中個別蛋白質分子的位置，從而達到了電子顯微鏡的解析度，這是高解析度顯微技術發展的一個裡程碑。

傳統光學顯微鏡受限於光的波長，對於200nm以下的小東西只能搖頭興嘆。雖然電子顯微鏡可以達到奈米級的解析度，但通電的結果容易造成樣品的破壞，因此能觀測的樣本也相當有限。分子生物學家雖然可以做到把若干想觀察的蛋白質貼上螢光卷標，但這些蛋白質還是經常擠在一塊，在顯微鏡下分不出誰是誰。

光敏定位顯微鏡：PALM可以用來觀察納米級生物，相較於電子顯微鏡有更清晰的對比度，如果給不同蛋白接上不同的螢光標記，就能用來進一步研究蛋白質間的相互作用。

這幾年高解析度螢光顯微鏡跨越了一大步，使得研究者可以從納米級觀測細胞突起的伸展，從而宣告200—750納米大小範圍的模糊團塊的時代結束了。最新的這篇文章就是這一技術的新進步，這種iPALM是將PALM技術與光的幹涉原理結合起來，將三維的解析度提高到20 nm以內，並極大地提高了收集同樣光子後的定位精度。

在這篇文章中，研究人員就是通過這一新技術在納米尺度上觀測到了粘著斑的蛋白組織方式，粘著斑是細胞外基質與一個細胞的肌動蛋白細胞骨架之間的物理聯繫，它們能通過整聯蛋白（或稱整合素）發揮作用。它們在人體生理中具有根本性的重要性，因為它們調控細胞粘附、機械傳感和控制細胞生長及分化的信號。

研究人員發現這種蛋白是組織良好的超級結構，整聯蛋白和肌動蛋白被一個40納米長、由部分重疊的蛋白特異性層組成的核分開，又被人踝蛋白(talin)聯繫在一起。這種多層架構產生三個或更多單獨的腔室，它們調控粘著斑的相互獨立的功能。

除了利用這種顯微技術，來自約翰霍普金斯醫學院的研究人員還利用一種雙聚物探針，分別吸引兩種蛋白，從而能了解一個蛋白為什麼和如何在一個位點是用於細胞分裂和生長，而在另外一個位點卻是意味著細胞死亡，利用這種新型技術，研究人員能在細胞的各處快速操縱蛋白活性。（生物谷Bioon.com）

生物谷推薦原文出處：

Nature  doi:10.1038/nature09621

Nanoscale architecture of integrin-based cell adhesions
Pakorn Kanchanawong1,5, Gleb Shtengel2,5, Ana M. Pasapera1, Ericka B. Ramko3, Michael W. Davidson3,4, Harald F. Hess2 & Clare M. Waterman1

1.National Heart Lung and Blood Institute, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland 20892, USA
2.Howard Hughes Medical Institute, Janelia Farm Research Campus, Ashburn, Virginia 20147, USA
3.National High Magnetic Field Laboratory, The Florida State University, Tallahassee, Florida 32310, USA
4.Department of Biological Science, The Florida State University, Tallahassee, Florida 32306, USA
5.These authors contributed equally to this work.
Correspondence to: Clare M. Waterman1 Email: [e-mail]

Correspondence to: Harald F. Hess2 Email: [e-mail]

Correspondence to: Michael W. Davidson3,4 Email: [e-mail]

Top of pageAbstractCell adhesions to the extracellular matrix (ECM) are necessary for morphogenesis, immunity and wound healing1, 2. Focal adhesions are multifunctional organelles that mediate cell–ECM adhesion, force transmission, cytoskeletal regulation and signalling1, 2, 3. Focal adhesions consist of a complex network4 of trans-plasma-membrane integrins and cytoplasmic proteins that form a?<200-nm plaque5, 6 linking the ECM to the actin cytoskeleton. The complexity of focal adhesion composition and dynamics implicate an intricate molecular machine7, 8. However, focal adhesion molecular architecture remains unknown. Here we used three-dimensional super-resolution fluorescence microscopy (interferometric photoactivated localization microscopy)9 to map nanoscale protein organization in focal adhesions. Our results reveal that integrins and actin are vertically separated by a ~40-nm focal adhesion core region consisting of multiple protein-specific strata: a membrane-apposed integrin signalling layer containing integrin cytoplasmic tails, focal adhesion kinase and paxillin; an intermediate force-transduction layer containing talin and vinculin; and an uppermost actin-regulatory layer containing zyxin, vasodilator-stimulated phosphoprotein and α-actinin. By localizing amino- and carboxy-terminally tagged talins, we reveal talin’s polarized orientation, indicative of a role in organizing the focal adhesion strata. The composite multilaminar protein architecture provides a molecular blueprint for understanding focal adhesion functions.