显微镜技术揭示细胞的3-D超新结构

 
触手可及的囊泡在牢房内穿梭货物进行分类。随着干细胞分化为神经元，DNA在核内重新排列。相邻的神经元通过类似网络的界面相互紧贴。一项新的显微镜技术可以将所有细节展现得淋漓尽致。
这项技术称为cryo-SR / EM，可以融合从电子显微镜和超分辨率光学显微镜捕获的图像，从而以3-D形式清晰，清晰地显示细胞内部的详细视图。
多年来，科学家一直在探索细胞内部的微观世界，开发出新工具来观察这些基本生命单位。但是每种工具都需要权衡。光学显微镜可以通过用易于看见的荧光分子标记特定的细胞结构来轻松识别它们。随着超分辨率(SR)荧光显微镜的发展，可以更加清晰地查看这些结构。但是荧光只能在给定的时间内揭示出细胞中10,000多种蛋白质中的几种，因此很难理解这几种蛋白质与其他物质之间的关系。另一方面，电子显微镜(EM)可以显示高分辨率图片中的所有细胞结构，但是仅凭EM很难将一个特征与所有其他特征区分开，因为细胞内部的空间非常拥挤。
霍华德·休斯医学研究所的珍妮莉亚研究园区的高级组长哈拉德·赫斯说，将这两种技术结合在一起可以使科学家清楚地了解特定细胞特征如何与其周围环境相关联。 “这是一种非常强大的方法。”
在细胞开始(成年)之前(左)和之后(右)，神经元的细胞核看起来截然不同。随着细胞的成熟，DNA被重新包装在细胞核内以开启一组新的基因。这些变化反映在两个单元内部的灰色斑点和彩色荧光的不同模式中。图片来源：D。Hoffman等人/ 2020年科学奖珍妮莉亚研究科学家David Hoffman和高级科学家Gleb Shtengel在赫斯和珍妮莉亚资深研究员Eric Betzig(美国加州大学伯克利分校的HHMI研究者)的带领下率先开展了该项目。这项工作在2020年1月16日的《科学》杂志上进行了描述。
首先，科学家在高压下冷冻细胞。这会迅速停止细胞的活动，并防止形成冰晶，而冰晶会损坏细胞并破坏正在成像的结构。接下来，研究人员将样品放入低温室，在超零分辨率的温度不到十度的温度下，通过超分辨率荧光显微镜通过3-D对样品进行成像。然后，将它们移除，嵌入树脂中，并在由赫斯实验室开发的功能强大的电子显微镜中成像。该瞄准镜在细胞表面发射一束离子，在为每个新暴露的层拍照时一点一点地磨掉。然后，计算机程序将图像拼接在一起以进行3D重建。
最后，研究人员叠加了两个显微镜的3D图像数据。结果：令人惊叹的图像以惊人的清晰度揭示了细胞的内部细节。
除此新闻稿外，还包含一些视频，这些视频说明了科学家如何使用该技术。赫斯说：“已经引起了很多兴趣。” “还有更多的实验要做—要研究的整个细胞世界。”
该视频显示了发育中的神经元如何相互粘附，揭示了瑞士奶酪样的联系，帮助年轻的神经元正确迁移到神经系统的最终位置。在这些连接处的粘附蛋白的紫色和绿色超分辨率荧光图像与详细显示膜结构的电子显微镜图像(橙色)相关。图片来源：D。Hoffman等人/《科学2020》 1.染色质组织
在细胞开始(成年)之前(左)和之后(右)，神经元的细胞核看起来截然不同。随着细胞的成熟，DNA被重新包装在细胞核内以开启一组新的基因。这些变化反映在两个单元内部的灰色斑点和彩色荧光的不同模式中。 “这项技术为分化前后的细胞核状态提供了令人惊讶的详细快照，”参与该项目的圣裘德儿童研究医院的David Solecki说。
2.神经粘连
发育中的神经元粘在一起。该视频准确地显示了这些细胞如何相互粘附，揭示了瑞士奶酪样的联系，帮助年轻的神经元正确地迁移到神经系统的最终位置。在这些连接处的粘附蛋白的紫色和绿色超分辨率荧光图像与详细显示膜结构的电子显微镜图像(橙色)相关。
细胞充满小囊泡-膜结合的麻袋，可帮助细胞存储蛋白质，分解细胞垃圾并运载货物。 仅在电子显微镜下，这些许多种类的囊泡是无法区分的。 但是有了cryo-SR / EM，它们的独特功能就变得清晰起来。 该片段放大了内体，内体将货物穿梭到细胞内的不同区域。 图片提供：D。Hoffman等人/《科学2020》 3.内体
细胞充满小囊泡-膜结合的麻袋，可帮助细胞存储蛋白质，分解细胞垃圾并运载货物。 仅在电子显微镜下，这些许多种类的囊泡是无法区分的。 但是有了cryo-SR / EM，它们的独特功能就变得清晰起来。 该片段放大了内体，内体将货物穿梭到细胞内的不同区域。