应用案例 | DNA 折纸术与光学成像的碰撞，构建光热操纵细胞膜异质性的分子工具

本文作者：陈小青 博士

华东师范大学 化学与分子工程学院

 

研究背景

异质性是细胞膜生物物理化学最重要的特性之一。细胞膜上富含胆固醇/鞘脂的高度动态的结构域，被称为脂筏。脂筏充当信号分子组装平台，参与多种信号转导过程。然而，由于脂筏高度动态特性，成像技术难以对活细胞上脂筏实时成像，因而脂筏动态组装过程与下游信号通路间的难以建立定量关联。

近期，华东师范大学李迪教授团队与中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心葛一凡副研究员合作，提出利用局域温度变化扰动细胞膜功能域分布的策略^[1]。

作者利用 DNA 折纸技术制备了兼具高空间分辨和化学分辨的光热响应分子工具，通过近红外激光操纵局部脂质环境温度来扰动脂筏的相分离程度（图 1）。

相关研究工作以「高空间分辨热操纵细胞膜异质性改变细胞迁移及信号通路（High Spatial-resolved Heat Manipulating Membrane Heterogeneity Alters Cellular Migration and Signaling）」为题，发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）杂志上。

 

图1. 对细胞膜区域选择性加热分子工具及细胞迁移行为变化

 

研究内容与结果

研究发现，局部热扰动导致的膜流动性变化会改变膜相分离程度，进而影响细胞迁移行为。其中，对非脂筏域的热扰动能够大大增加细胞迁移能力。进一步分子机制研究表明，细胞行为变化与整合素重新分布相关。区域选择性加热改变了细胞膜脂筏域和非脂筏域的界面线张力，稳定或失稳整合素成簇，进而影响与细胞迁移密切相关的黏着斑，导致不同的迁移行为变化（图 2）。

 

图 2. 区域选择性加热引起细胞膜不同功能域间界面张力变化

与既往研究不同，该工作首次探讨了在不干扰质膜磷脂构成的情况下通过构建高空间分辨率的温度差异，利用物理因素调控细胞膜异质性程度，探索其下游信号通路关系。该工作开发的分子工具可用于探索细胞膜异质性与细胞功能间关系，建立细胞膜理化参数与细胞功能间的关联。

 

研究总结与展望

在整个研究中，多种先进的光学成像技术对于科学现象的发现与解释都起到了较大的推动作用。

• 基于搭载在倒置显微镜（IX73，Evident）上的全内反射荧光的荧光相关光谱技术(Aohui/Guangzhou)用来表征体外双分子层  L_o 和  L_d 区域分布及红外光照前后两相扩散速率变化情况（图 3），解释了纳米加热器靶向细胞膜不同功能域引起的细胞迁移行为变化与细胞膜相分离程度相关。

图 3. 纳米加热器处理诱导筏模拟混合物中脂质堆积行为变化

IX73 倒置显微成像平台

• 基于点扫描激光共聚焦显微镜(FV3000，Evident)的荧光漂白后恢复技术用来表征细胞膜不同功能域在 NIR 光照前后流动性变化（图 4B,C）。研究人员可以在 FV3000 上可根据实验需求选择多种刺激区域形状，模式多样；尤其是龙卷风光刺激模块，激光刺激效率更高。

FV3000 的 Sychronization 模块将刺激与成像功能灵活编辑成不同的实验流程，可以大大提高 FRAP 实验效率及数据的准确性。（传送门：Evident全新激光扫描共聚焦系统 F4000 现已发布）。

 

图 4. 纳米加热器处理后膜流动性变化

FV3000 激光扫描共聚焦显微镜

 

• 采用适合活细胞高速成像的转盘共聚焦系统(SpinSR, Evident)，观察并分析不同条件处理后的细胞 24 h 内的运动轨迹（图 5A）。通过分析细胞运动速度、扩展面积等参数得出光热细胞非脂筏域能促进细胞迁移。同时在点扫式激光扫描共聚焦显微镜(FV3000，Evident)下可清楚观察到非脂筏域加热的细胞丝状伪足突起明显，且细胞迁移相关的黏着斑激酶（FAK）与其有良好的共定位（图 5F）。

图 5. 靶向加热处理导致区域依赖的细胞迁移变化

 

转盘共聚焦系统 SpinSR

• 基于 STORM 的超高分辨技术(Micro-fields Optics, Guangzhou)用来表征细胞膜脂筏与非脂筏域分布情况及纳米加热器与细胞膜不同功能域的空间共定位（图 6）。

图 6. 纳米加热器与细胞功能域空间定位

 

参考文献

[1]. Chen X, Yang Q, Kong W, et al. High spatial-resolved heat manipulating membrane heterogeneity alters cellular migration and signaling. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023;120(48):e2312603120. doi:10.1073/pnas.2312603120