南開新聞網訊 紅細胞是人血液中數量最多的一種細胞，主要負責氧氣和二氧化碳的運輸，保障生命活動正常進行。紅細胞呈現特有的雙凹圓餅狀形態並具有極強的變形性和穩定性，保證其在120天壽命中往返動靜脈上百萬次，行程約480km循環過程中不斷承受大血管中的流體剪切力和比自己直徑還小的毛細血管擠壓力而不破損。紅細胞雖已被人類認知300多年，但是諸多的機制仍尚不清楚，如細胞形態、變形性與細胞骨架的關係等。近日，我校物理科學學院、泰達應用物理研究院潘雷霆副教授與合作者美國加州大學伯克利分校Ke Xu教授基於超分辨光學成像技術在紅細胞骨架結構與特性研究方面獲重要進展，相關結果以「Super-Resolution Microscopy Reveals the Native Ultrastructure of the Erythrocyte Cytoskeleton」為題發表在國際知名學術期刊《Cell Reports》。
紅細胞骨架是由血影蛋白和連接複合體等蛋白交替編織構成，呈二維三角網格狀結構。雖然細胞骨架基本組成和結構已經被勾勒出來，但是諸多細節仍不清楚，如代表性結構參數兩個連接複合體之間的距離，即血影蛋白的長度一直存在爭議：基於三角網格模型，利用血影蛋白的密度和分子量理論計算出血影蛋白長度約為76 nm（Biophys. J., 1982, 39: 273）；基於負染電鏡成像發現連接複合體之間血影蛋白長度約為200 nm（PNAS, 1985, 82: 6153）；基於快速冷凍深度蝕刻電鏡成像技術測得連接複合體之間長度約為60 nm（Cytoskeleton, 1991, 19: 227）；基於冷凍電子斷層掃描成像術觀察得到連接複合體之間血影蛋白長度約為46 nm（Biophys. J., 2011, 101: 2341）。
上述電鏡成像的解析度雖然很高，但是制樣步驟繁瑣，且樣品處理過程存在固有缺陷，如需乾燥、脫膜，無法獲得真實、完整的細胞結構信息，可能存在實驗假象。光學顯微成像具有無損、可視放大觀察樣品等特點，但由於光波的衍射效應，使得普通遠場成像系統存在約半波長的橫向解析度極限（對於可見光~200 nm），無法有效觀測納米尺度的結構。但這一限制在本世紀被超高分辨光學顯微成像技術打破，解析度輕鬆達到了百納米以下，極大增強了光顯微鏡在細胞微納結構與功能方面的研究能力。2014年瑞典皇家科學院將諾貝爾化學獎授予了Eric Betzig、Stefan Hell及William Moerner三位科學家，以表彰他們在「發展超高分辨光學顯微鏡」上的貢獻。
近日，潘雷霆與美國加州大學伯克利分校Ke Xu教授合作，基於隨機光學重構超分辨成像技術（STochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM）在近無損生理條件下研究了紅細胞骨架結構特性。該工作首先發展了一種血紅蛋白背景螢光去除及紅細胞平鋪貼壁方法，實現對骨架網絡上的血影蛋白、內收蛋白等六種蛋白的單色和雙色STORM超分辨成像。再利用最近距離法、二維自相干分析法和二維互相關分析法，並結合理論建模，證明在近無損生理狀態下連接複合體之間的距離即血影蛋白長度約為80 nm，而不是前人利用電鏡觀察得到的200 nm、46 nm或60nm。此外，發現在細胞膜完整的情況下每種蛋白超分辨圖像中往往存在~200 nm空洞結構，分析認為紅細胞骨架體系處於動態的結合和解離狀態，且血影蛋白長度具有彈簧伸縮屬性，藉以實現極強的變形性。相關結果可為揭示紅細胞極強變形性的內在機制提供了新的實驗支撐，也為理解血影蛋白相關的細胞骨架的構建提供新的啟示。
本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和創新團隊發展計劃等項目資助。（物理學院供稿）
論文連結：http://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(17)31959-9