我院教师在细胞中间纤维骨架超分辨成像研究中获重要进展
细胞骨架主要包括微管、微丝及中间纤维，与细胞内的遗传系统、生物膜系统并称“细胞内的三大系统”，共同维持和保证细胞内部结构和功能有序性。近日，我院潘雷霆副教授、许京军教授研究团队与美国加州大学伯克利分校Ke Xu教授团队基于超分辨光学成像技术在细胞中间纤维骨架动力学变化特性方面研究获重要进展，相关结果以封底（Back Cover）论文形式发表在国际知名综合类学术期刊《Advanced Science》（IF:15.804），题为“Hypotonic stress induces fast, reversible degradation of the vimentin cytoskeleton via intracellular calcium release”。
作为一种有效的细胞控制手段，外部渗透压环境可调节细胞的形态和细胞膜表面张力，影响胞内蛋白的浓度和相互作用，参与细胞生理病理过程。潘雷霆副教授、许京军教授课题组前期研究发现低渗环境可诱发关节炎滑膜细胞钙离子内流、炎症小分子ATP的快速释放和细胞内氧自由基的生成，并最终促进滑膜细胞的增殖能力（BBRC, 2017, 486: 108），以及利用低渗调控发现特定剂量的长波紫外辐照可降低红细胞渗透脆性并有效保护和维持红细胞双凹圆饼状形态（Cell Death Discovery, 2017, 3:17040）。
渗透压虽然可以有效调控细胞体积形态，但该过程关键组分—细胞骨架系统响应渗透压环境的变化机制仍不清楚。因此，课题组与Ke Xu教授研究组合作，利用随机光学重构超分辨成像技术（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM）研究了低渗环境对Cos7细胞骨架系统尤其是中间纤维骨架的影响。中间纤维含量丰富、尺寸较小，常规显微成像难以对其进行有效观察和研究。本工作中，我们分辨率约为25 nm的STORM超分辨成像系统清晰地显示低渗刺激可以使得Cos7细胞vimentin中间纤维从长丝状快速（5分钟）变成短片段状，甚至是碎点状。而恢复至正常渗透压环境后，vimentin又可重新组装并恢复成长丝状。但常规认为动态性相对较强的微管和微丝骨架在低渗作用下却没有发生明显解聚现象。随后，结合蛋白免疫印迹实验、定量钙成像手段及药理学方法，证明低渗引起的vimentin中间纤维解聚是通过IP3-Ca2+-calpain信号通路实现，即低渗引起细胞内质网上IP3敏感的钙库释放，引发细胞质钙浓度升高，随后激活了钙蛋白酶calpain，使之快速剪切丝状vimentin变成片段状，甚至是单体，不是简单的物理化学解聚。总之，依靠STORM超分辨成像直观清晰地观察到低渗对Cos7细胞骨架三种主要成分微管、微丝、中间纤维不同的调控方式，发现中间纤维虽然被认为相对稳定，但是其在特定条件下反而比微管、微丝呈现更高度的动态性，快速地进行组装和去组装，以利于细胞及时改变力学性质，相关结果揭示了中间纤维骨架网络新的组装特性和作用机理。
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、天津市自然科学基金、111计划和创新团队发展计划等项目资助。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900865