主题：【分享】冷冻光电关联：让原位微观生命过程可视化

结构生物学是用物理学方法在原子水平阐明生物大分子的三维结构，进而诠释生物大分子的生物学功能及其分子机制的科学。近几年，冷冻电镜在生物物理，特别是结构生物学领域掀起了一轮新的革命。冷冻电镜技术包括单颗粒技术和原位冷冻电镜技术，2017年单颗粒技术已获得诺贝尔奖，放眼未来，冷冻电镜更多的是要应用于获取细胞和组织样品的原位信息，尤其是利用冷冻电镜电子断层扫描成像技术（Cryo-ET）获得三维图像，将细胞内的生命过程可视化，在原位对生物大分子的结构进行解析，并进一步分析其与所处周围环境之间的相互作用关系，进而阐明其发挥功能的分子机制。
蛋白质聚集是许多神经退行性疾病的典型症状，包括帕金森病（Parkinson’sdisease）、亨廷顿病（Huntington’sdisease）、以及肌萎缩侧索硬化症（amyotrophiclateral sclerosis）等，至今为止还没有针对这类疾病的有效治疗方案，因此了解这类疾病的致病机理尤为重要。在细胞内表达这些疾病相关的蛋白会导致细胞毒性以及形成大的胞内包涵体，然而这些包涵体的具体致病机理还不清楚，而且这些包涵体的组成以及其精细的细胞原位结构信息也无人知晓。
为了回答这一科学问题，德国马克斯·普朗克生物化学研究所Baumeister教授组的研究人员利用先进的冷冻电镜光电关联技术（Cryo-CLEM）、冷冻聚焦离子束切割技术（Cryo-FIB）、以及冷冻电子断层扫描三维重构技术（Cryo-ET），在小鼠原代神经细胞原位解析了亨廷顿基因1号外显子中衍生的多聚谷氨酰胺（polyQ）所形成的包涵体及其微环境的原位精细结构，相关结果发表在2017年9月的Cell杂志。他们发现polyQ包涵体是由淀粉样肽的纤维构成，与细胞的内膜系统特别是内质网相互作用，使内质网膜发生形变并扰乱其组成，还改变了包涵体周围的内质网膜的动态性。该研究结果暗示淀粉样肽的纤维和内质网的异常相互作用导致了蛋白质聚集物所产生的细胞毒性。

2018年3月，该研究组在PNAS杂志发表在酵母系统内的polyQ原位分子的结构解析，他们发现在酵母细胞内polyQ蛋白聚集体形成了无定形的包涵体以及少量的纤维丝，并使线粒体和脂滴的形态发生变形。对比这两种不同的机体系统下的差异，我们可以看到同样的polyQ蛋白聚集体在不同的环境中采用了不同的构像并利用特定的机制来靶向不同的细胞结构，从而产生细胞毒性。

另外，2018年2月的Cell杂志报道了该研究组在大鼠神经细胞原位解析了一种重复短肽（poly-GA）蛋白聚集体及其微环境的结构，不同于polyQ形成的纤维状结构，poly-GA聚集体是由平面扭曲的长短不一的丝带状结构组成。poly-GA聚集体大量募集了26S蛋白酶体复合物，而其他生物大分子如核糖体或分子伴侣却被排除在聚集体外部。与poly-GA的直接相互作用使蛋白酶体处于失活状态，虽然在整体水平上细胞内的蛋白酶体表达量没有变化，但有功能的蛋白酶体的数量大幅减少，揭示了蛋白质聚集物所产生细胞毒性的另一原因。

Baumeister教授组是Cryo-CLEM、Cryo-FIB以及Cryo-ET等关键技术方法发展的开拓者和领航者。Cryo-CLEM-FIB-ET即是在整个细胞内定位荧光标记的特定目标分子，观察其动态变化并在感兴趣的时刻进行快速冷冻，然后转移到冷冻扫描电镜利用冷冻聚焦离子束进行光电关联匹配，精确定位目标分子位置并进行聚焦离子束切割产生一层100-200nm厚的切片，最后利用冷冻电子断层扫描成像从原子分辨率上解析其未被破坏的天然原位结构信息。
目前冷冻光电关联的一大瓶颈是光镜的分辨率较低，虽然超分辨光电关联技术在飞速发展，但是其缺点如高强度激光照射可能使样品升温，成像速度慢等还需要一一克服。超分辨光电关联令人振奋的一大潜在应用是来精确指导冷冻聚焦离子束切割，使得大的细胞样品中的任何感兴趣目标分子都能被精确定位切割，进而进行高分辨率数据收集。另外，随着技术进一步发展，用高电子密度标签来标记目标分子并在电镜下直接成像也将会成为可能。
结构生物学的终极目标是了解细胞生命过程中每一个分子的结构、功能以及它们之间的相互作用，Cryo-CLEM-FIB-ET则是在结构生物学与细胞生物学之间架起的一座桥梁，让细胞内的微观生命动态过程可视化！
参考文献
1. Bauerlein,F. J. B., et al. 2017. In Situ Architecture and Cellular Interactions of PolyQInclusions. Cell 171(1): 179-187.
2. Guo, Q., etal. 2018. In Situ Structure of Neuronal C9orf72 Poly-GA Aggregates RevealsProteasome Recruitment. Cell 172(4): 696-705.
3. Gruber, A.,et al. 2018. Molecular and structural architecture of polyQ aggregates inyeast. Proc Natl Acad Sci U S A. .
4. Wolff, G.,et al. 2016. Towards correlative super-resolution fluorescence and electroncryo-microscopy. Biol Cell 108(9): 245-258.Oikonomou, C. M. 2017. Cellular ElectronCryotomography: Toward Structural Biology In Situ. Annu Rev Biochem 20(86):873-896.
来源：【生物成像中心】