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作者: 陳良怡 來源: 發布時間:2021-6-1 16:34:40
超分辨顯微鏡下的細胞之城

   你知道嗎?人類的身體共有37萬億個細胞,它們不斷分裂,維持機體正常生長發育;它們不斷運動,把自己輸送到有需要的地方;它們英勇無畏,抵抗細菌入侵;它們溫暖陽光,不斷把糖脂轉化為三磷酸腺苷(ATP)。

   無論何時,細胞對我們都不離不棄,而我們對細胞卻沒那么熟悉;诤IY構光—光學衍射層析雙模態超分辨率顯微鏡(簡稱超分辨),讓我們用“上帝”的視角走進這座神秘的細胞之城。

 

動態的細胞與細胞器

 

   細胞是一切生物體結構和功能的基本單位。一個細胞的大小可能只有10~20個微米。在這個小小世界里,有一個發號施令的司令部——細胞核,它保存著所有的遺傳信息。

   除了司令部以外,還有不少“搬磚”的,比如內質網,它是細胞內除核酸以外的一系列重要的生物大分子(如蛋白質、脂類和糖類)合成的基地。還有線粒體,這是一種存在于大多數細胞中的由兩層膜包被的細胞器,是細胞中的“能量工廠”。像小球一樣的溶酶體,就好像細胞里的垃圾站,所有不需要的東西都會在此分解、轉化,再重新進行循環。

   正如我們看一張照片無法體會城市的喧嚷一樣,靜態的細胞結構圖同樣不能凸顯細胞之城的熱鬧。

   透過超分辨,這一切發生了翻天覆地的變化。異;钴S的細胞之城變得清晰可見:線粒體就像一條細小的蟲子一樣爬來爬去,閃閃發光的脂滴格外耀眼,成群結隊的溶酶體活潑好動,漁網一樣的內質網更是密密麻麻。

   與傳統上展示的固定結構不同,在一個細胞分裂成兩個細胞的過程中,線粒體一開始會像無頭蒼蠅一般爬來爬去,到分裂的某個階段時,它像商量好似的變得很有規律,朝向一致。

   亮晶晶的脂滴是細胞內中性脂的主要儲存場所。當細胞分裂時,幾個小脂滴“手拉手”連在一起,形成了一個大脂滴,但是它們又保存著各自的獨立性,沒有相互融合。

   在一個完整的細胞分裂過程中,傳統的生物學知識會傾向于關注遺傳物質是否拷貝完備,而在超分辨的視角下,我們則更感興趣的是這些細胞器是否需要很好地分配。

 

“竊竊私語”的細胞器

 

   實際上,在不停運轉的細胞器之間有非常多的交流。不僅如此,和人類世界一樣,細胞之城中除了普通大眾外,也存在少量的“天才”和“瘋子”。

   借助超分辨的“慧眼”,可以看到細胞里面所有的線粒體,但是這絕大多數的線粒體都比較短,像短棒一樣隨機分布,屬于“普通人”。但是在細胞的核膜旁邊,一個像長長的蚯蚓一樣的線粒體格外顯眼,它與核膜的關系也不一般,當它移動的時候,核膜也在隨之移動,在某種意義上這就是個“天才”線粒體。

   與普通的只需提供能量的線粒體不同,“天才”線粒體與核膜緊密接觸,仿佛在相互交流,有可能是專門為細胞核供應能量,也有可能是要生產一些新東西……

   細胞器之間的交流是一種非常普遍的現象。因為每個細胞器都有其獨特的功能,比如說有的是總司令部,有的是垃圾回收站,有的能生成能量,有的能儲存能量,有的則能合成蛋白……要行使這些不同的功能,就要求其創造不同的局部環境。

   其實,細胞里面的很多狀態的變化是通過細胞器之間的交流來實現的。比如線粒體與內質網相互作用時,內質網會把線粒體一分為二,這時線粒體內部的一些DNA可以分配的很均勻。

   除了將線粒體一分為二的常見現象,有時還會出現一些罕見的現象,線粒體并沒有被一分為二,而是像攤煎餅一樣鋪開的很大,過一會兒再還原。雖然我們還不是很清楚線粒體這種接觸到底有怎樣的作用,但它肯定有非常重要的功能,有待于人們的進一步探究。

 

學習與記憶

 

   人們常說,魚只有7秒的記憶。但這并非事實。

   我們用斑馬魚進行了學習記憶的實驗。在學習前,實驗人員用光照斑馬魚,它看見了光,既沒有正反應,也沒有負反應,始終一動不動。隨后,實驗人員在給光照的同時,用玻璃針觸碰斑馬魚,這種機械的刺激讓它感到很不舒服,于是斑馬魚抖動了一下尾巴。這個過程重復半小時,斑馬魚就會“記住”這件事,即一有光照,就會有東西觸碰,尾巴就要抖動。

   在測試斑馬魚記憶的過程中,實驗人員只給了光照,并沒有碰觸它,斑馬魚仍然會抖尾巴,據此我們就認為它對這件事產生了記憶。

   但是這種記憶究竟有多穩定呢?實驗人員經過測試發現,斑馬魚學習半小時之后,在隨后的6.6小時內,記憶比較穩定。但12小時后,這種記憶開始出現不穩定,即給一次光照,斑馬魚有時抖一下尾巴,有時沒反應,這時就說明它開始出現遺忘。

   此時,如果不去做任何改變的話,它到14小時或16小時后就會完全忘記。但如果在6小時或者12小時的時候,讓斑馬魚重新學習半小時,此時再進行測試,你會發現它的記憶非常穩定,記憶不穩定的時間從原來的第12小時推遲到第24小時。

   在這個過程中,透過光片顯微鏡可以看到斑馬魚大腦里所有的神經元,我們期待了解在其學習的過程中,神經元的活動發生了怎樣的變化?神經元個體的活動特性有怎樣的改變?一群神經元連在一起時,群體特性發生了怎樣的改變?不止如此,我們還想知道斑馬魚遺忘的時候,神經元又出現了怎樣的變化?

 

細胞的時間尺度

 

   毋庸置疑,細胞是有時間概念的。

   一個分子馬達,一秒鐘可以游過一個微米距離的細胞,如果是10微米大小的話,則能游過1/10個細胞的大小。

   所謂的一個細胞的尺度,是指從一個母細胞分裂成一個子細胞的過程,具體的時間范圍主要取決于具體的細胞類型。

   人體中包含著200種細胞、37萬億個細胞,它們每時每刻都在發生著變化。因此,我們每個人都是不同細胞的集合體。

   正如“人不可能兩次踏進同一條河流”一樣,人體的細胞無時無刻都在變化。人體的不同細胞整體更新一次的時間也各有差異,比如胃細胞需要7天;皮膚需要兩周;紅細胞需要120天;肝臟需要一年到一年半;骨骼則需要十年。

   事實上,影像學各種新技術的出現,為觀察這些變化、推動生物學的發展帶來了翻天覆地的變化,它讓我們看的更清楚、更動態。成像技術有兩個關鍵點,時間分辨率和空間分辨率,借助這雙“慧眼”不僅可以擁有更多的觀察視角,還有助于觀察之前看不見的精細生命活動過程,展現生命體順序變化的過程。

   當我們能夠看得越來越仔細,越來越清楚,而且能夠以越來越快的速度看到細胞里面這些分子的動態變化過程時,我們就可以看清楚疾病的發病機制,真正地深入理解這個機制是什么樣子,才能找到對癥的治療藥物!

(作者系北京大學分子醫學研究所教授,內容改編自“中國生物物理學會嗶哩嗶哩官方賬號”,記者倪偉波整理)

 
《科學新聞》 (科學新聞2021年4月刊 科學傳播)
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