了解特定蛋白质在细胞和组织中是如何排列的对科学家们来说至关重要。因为，这种精微的结构是机体生物功能和疾病状态的核心。
然而，在活细胞内，一大堆蛋白质和各种生物分子“挤”在了一起，杂乱无章的团簇给试图观察它们的科学家带来了难题。由于蛋白之间的距离太小，传统方法中用于使它们可见的荧光标记对它们束手无策，从而限制了通过标记获取生物分子信息的可能。
近日，麻省理工学院（MIT）的 Edward Boyden 等人在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上发表了题为：Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy 的研究论文。
研究团队开发了一种新技术克服了上述困难，使那些挤在一起“不可见”的分子显露“真容”。该技术不仅可以实现低至几十纳米的超分辨率，而且还可以“剥离”细胞和组织中的生物分子以实现 “去拥挤”化，从而使科学家可以发现以前从未见过的细胞和组织内景观。
使用该技术，研究团队对完整大脑回路中突触处的纳米结构进行了成像，并比以前更详细地对小鼠模型中与阿尔茨海默氏症相关的β淀粉样蛋白（Aβ）斑块进行了成像。
这种名为“扩张显示（Expansion Revealing，ExR）”的新方法该团队此前开发的扩张显微成像技术之升级版本。
通常，对细胞内的特定蛋白质或其他分子进行成像需要用与靶蛋白结合的抗体携带荧光标签对其进行标记。抗体长约10纳米，而典型的细胞蛋白直径只有约2至5纳米。因此，如果靶蛋白过于密集，抗体就无法接触到它们。
这一直是传统成像技术的障碍，也是该团队于2015年首次开发扩张显微成像技术时的障碍。在原始版本的技术中，研究人员在扩张组织之前将荧光标记附着在感兴趣的分子上，但他们必须要用一种酶来切碎样品中的蛋白质，以便组织能被扩张。然而，标记是事先做好的，这意味着，在组织扩张后，标记就成了问题。
为了克服这一障碍，研究人员需要找到一种能在保持蛋白质完整性的同时扩张组织的方法。于是，他们使用了热处理而不是用酶来软化组织，这样可以使组织膨胀约20倍也不会被破坏。然后，分离的蛋白质就可以在扩张后用荧光标签进行标记。
在这项新研究中，研究团队展示了使用共聚焦显微镜成像完整脑回路中突触前钙通道与突触后支架蛋白的排列。突触是密集堆积着蛋白质的神经元之间的连接。
研究人员表示，突触蛋白与神经退行性疾病密切相关，但此前一直没有工具可以将其可视化。因此，这项新技术将会进一步发现以前未见的细胞和组织内的纳米结构，从而帮助解答许多有关突触蛋白功能障碍的生物学问题。
他们还从阿尔茨海默症小鼠模型中发现脑组织中含有离子通道蛋白的周期性淀粉样纳米簇。这些都是科学家们以前从未见过的。
左图显示了β淀粉样蛋白纳米簇的线状结构，右图显示了β淀粉样蛋白的螺旋结构，这是以前的技术无法揭示出的
该论文的通讯作者 Edward Boyden 表示，这项新技术将揭示更多新的生物学发现。如果生物领域研究人员和临床医生一直以常规方式标记并研究大脑或其他生物样本中的蛋白质，那么他们会遗漏掉许多现象和可能性。
Edward Boyden
值得一提的是，2005年，26岁的 Edward Boyden 作为第一作者，在 Nature Neuroscience 期刊发表了题为：Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural 的论文。这项研究发现ChR2可以在哺乳动物神经元中稳定安全地表达，并可以驱动神经元去极化。当用一系列短暂的光脉冲激活时，ChR2可以以毫秒级时间分辨率控制兴奋性或抑制性突触传递。这一技术为神经科学家和生物医学工程师提供了一个普适性工具，也标志着光遗传学（Optogenetics）的正式到来。
对于这项发表在 Nature Biomedical Engineering 上的最新研究，研究团队表示还在对这项技术进行调整，以便能够一次成像更多种蛋白质，并最终将其应用于人体组织样本。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00912-3
转自：“生物世界”微信公众号
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