红细胞是人血液中数量最多的一种细胞，主要负责氧气和二氧化碳的运输，保障生命活动正常进行。红细胞呈现特有的双凹圆饼状形态并具有极强的变形性和稳定性，保证其在120天寿命中往返动静脉上百万次，行程约480 km循环过程中不断承受大血管中的流体剪切力和比自己直径还小的毛细血管挤压力而不破损。红细胞虽已被人类认知300多年，但是诸多的机制仍尚不清楚，如细胞形态、变形性与细胞骨架的关系等。近日，我院潘雷霆副教授与合作者美国加州大学伯克利分校Ke Xu教授基于超分辨光学成像技术在红细胞骨架结构与特性研究方面获重要进展，相关结果以“Super-Resolution Microscopy Reveals the Native Ultrastructure of the Erythrocyte Cytoskeleton”为题发表在国际知名学术期刊《Cell Reports》。
红细胞骨架是由血影蛋白和连接复合体等蛋白交替编织构成，呈二维三角网格状结构。虽然细胞骨架基本组成和结构已经被勾勒出来，但是诸多细节仍不清楚，如代表性结构参数两个连接复合体之间的距离，即血影蛋白的长度一直存在争议：基于三角网格模型，利用血影蛋白的密度和分子量理论计算出血影蛋白长度约为76 nm（Biophys. J., 1982, 39: 273）；基于负染电镜成像发现连接复合体之间血影蛋白长度约为200 nm（PNAS, 1985, 82: 6153）；基于快速冷冻深度蚀刻电镜成像技术测得连接复合体之间长度约为60 nm （Cytoskeleton, 1991, 19: 227）；基于冷冻电子断层扫描成像术观察得到连接复合体之间血影蛋白长度约为46 nm（Biophys. J., 2011, 101: 2341）。
上述电镜成像的分辨率虽然很高，但是制样步骤繁琐，且样品处理过程存在固有缺陷，如需干燥、脱膜，无法获得真实、完整的细胞结构信息，可能存在实验假象。光学显微成像具有无损、可视放大观察样品等特点，但由于光波的衍射效应，使得普通远场成像系统存在约半波长的横向分辨率极限（对于可见光~200 nm），无法有效观测纳米尺度的结构。但这一限制在本世纪被超高分辨光学显微成像技术打破，分辨率轻松达到了百纳米以下，极大增强了光显微镜在细胞微纳结构与功能方面的研究能力。2014年瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予了Eric Betzig、Stefan Hell及William Moerner三位科学家，以表彰他们在“发展超高分辨光学显微镜”上的贡献。
近日，潘雷霆副教授与美国加州大学伯克利分校Ke Xu教授合作，基于随机光学重构超分辨成像技术（STochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM）在近无损生理条件下研究了红细胞骨架结构特性。该工作首先发展了一种血红蛋白背景荧光去除及红细胞平铺贴壁方法，实现对骨架网络上的血影蛋白、内收蛋白等六种蛋白的单色和双色STORM超分辨成像。再利用最近距离法、二维自相干分析法和二维互相关分析法，并结合理论建模，证明在近无损生理状态下连接复合体之间的距离即血影蛋白长度约为80 nm，而不是前人利用电镜观察得到的200 nm、46 nm或60 nm。此外，发现在细胞膜完整的情况下每种蛋白超分辨图像中往往存在~200 nm空洞结构，分析认为红细胞骨架体系处于动态的结合和解离状态，且血影蛋白长度具有弹簧伸缩属性，借以实现极强的变形性。相关结果可为揭示红细胞极强变形性的内在机制提供了新的实验支撑，也为理解血影蛋白相关的细胞骨架的构建提供新的启示。
本文第一作者是潘雷霆副教授，通讯作者为加州大学伯克利分校Ke Xu教授，南开大学为第一作者单位。该工作得到了国家自然科学基金、111计划和创新团队发展计划等项目资助。
论文连接：
http://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(17)31959-9