LIGHTNING揭示原生动物细胞超快速运动的纤维结构

中国科学院水生生物研究所的缪炜研究员团队利用LIGHTNING超高分辨率技术成功揭示了原生动物细胞超快速运动的纤维结构。

细胞运动的动力系统是生命的精巧机制，驱动着细胞的运动和功能，参与了许多重要的生物学过程。常见的动力系统有肌动蛋白系统、微管系统以及鞭毛和纤毛系统等，它们都直接依赖于ATP的能量来驱动动力蛋白的运动。然而，旋口虫的超快速运动不直接依赖于ATP，而是依赖于Ca2+，这一发现揭示了一种全新的动力系统。多年来，研究人员通过普通光学显微镜和电子显微镜，观察到旋口虫的螺旋纤毛沟、微管纤维束以及细胞膜下的网状纤维束等。然而，这种新型动力系统的分子结构仍然不为人所知。

因此，目前仍缺乏有效的手段来了解这一新型的动力系统。

2023年2月，该团队在《Science Advances》上发表题为《Giant proteins in a giant cell：Molecular basis of ultrafast Ca2+-dependent cell contraction》的研究成果。通过对原生动物旋口虫的基因组分析，研究人员确定了这一新型动力系统由钙离子结合蛋白spasmin和巨型蛋白GSBP组成，并通过LIGHTNING超高分辨率技术发现spasmin和GSBP蛋白在细胞内共同形成网状纤维结构。这为细胞超快速收缩的结构基础提供了可靠的依据，进一步提高我们对细胞动力系统的认知。

在这项研究中，研究人员对旋口虫进行荧光染色。由于旋口虫细胞太长，在1000倍放大倍数下，单个视野无法完整显示整个细胞。但通过STELLARIS，可以在1000倍放大倍数下对旋口虫进行“分区式”成像，然后使用LAS X软件将不同区域的图像进行拼接，以便在不降低放大倍数的情况下显示整个细胞，保留原有的细节。随后，使用LAS X软件的3D Viewer构建了旋口虫微管纤维的三维视图（图1和图2），首次展示了旋口虫的微管纤维在三维空间中的分布情况，并作为“feature image”在《Science Advances》期刊上展示（图1）。

图1. 旋口虫微管纤维在伸展和收缩状态下的3D视图。

图2. 旋口虫微管纤维的三维图像。旋口虫经过染色，通过超分辨率显微镜进行成像。

不同的颜色代表着不同的深度值。

通过三维图像的构建，研究人员还意外地发现旋口虫的毛基体似乎位于网状收缩纤维结构的交叉点附近（图3）。总的来说，LIGHTNING在研究细胞超快速运动方面提供了丰富的信息，是一款强有力的工具。

图3. 微管基础和网状纤维结构之间的相互作用。三维图像显示了纤毛（绿色）和

GSBP1的网状收缩结构（红色）。白色箭头指示毛基底体与网状结构中的交叉点

之间的潜在关联。

本文使用了搭载LIGHTNING的STELLARIS 8显微镜进行成像。

LIGHTNING采用独特的检测理念，尽可能地从样本中提取丰富的信息，以深入解答科学问题。与传统技术使用全局参数集来处理图像不同，LIGHTNING为每一个像素计算一个适当的参数集，尽力还原细节，可以自动呈现原本不可见的微小结构和细节（最小可解析120nm的纳米级结构），观察分子间相互作用和动力学。

LIGHTNING能够高速进行超分辨率多色成像。使用LIGHTNING的STELLARIS共聚焦显微镜能够生成8张多色图像，而且无需牺牲速度以获得更高的分辨率。每个通道都提供最小120nm的超高分辨率。搭载了LIGHTNING的STELLARIS 8显微镜真正实现了在初始全速拍摄的同时进行多色和超分辨率成像。

LIGHTNING的共聚焦成像基于自适应智能技术，它可以优化样本中每个探测位置的图像。每张图像的最终参数集都会被存储，也就是说成像条件被完整记录，具有可重复性。