AFM研究微绒毛、细胞膜微丝骨架及应用

发布时间：2020-05-17 01:51

【摘要】：细胞膜是细胞最重要的结构成分,在维持细胞内环境稳态和多种生理功能中均起到重要作用,而细胞膜的某些生理功能的发挥离不开细胞表面的一些特殊结构,如微绒毛,它在营养物质吸收、免疫调节、信号传导等活动中起到重要作用。由于传统技术的限制,生理条件下,纳米尺度上微绒毛结构的变化与吸收功能的关系还没有直接的证实。微丝不但对微绒毛结构起到支撑作用,还是细胞结构的重要成分,参与细胞形貌的维持、细胞粘附、细胞运动等生理功能,而近生理条件下,微绒毛和微丝在细胞中的空间分布特点还存在许多问题尚待探讨。此外,微丝参与机械力引起的多种生理活动,然而微丝是否参与相邻细胞间自噬信号的传递还不清楚。原子力显微镜(AFM)在细胞生物学研究中具有特殊优势,可以生理条件下对多种生物样品进行高分辨成像的同时获得样品的理化性质,已经应用于从单分子、细胞到组织样品的研究中。本文针对以上问题,利用AFM的高分辨成像,以及精准控制力优势,结合荧光显微镜的成像特点,在活细胞水平上,观察了微绒毛和微绒毛簇的动态变化;近生理条件下,纳米尺度上,研究了微绒毛结构的变化与吸收功能的关系,以及微丝和微绒毛的空间分布特点;此外,还初步探究了微丝在机械力引起的相连细胞间自噬信号传递中的重要作用。主要内容如下:第一,通过AFM的高分辨成像,在纳米尺度上,观察到细胞表面的微绒毛结构,获得单根微绒毛的尺寸及形貌特征。对活细胞进行连续原位成像,研究了细胞表面两种亚型的单根微绒毛及微绒毛簇的动态变化,发现了单根微绒毛的生长周期和微绒毛簇的解聚和聚合的现象。此外,对饥饿状态下,微绒毛结构的变化与葡聚糖吸收的直接相关性进行了研究,发现了微绒毛结构是动态可逆的变化。第二,基于AFM精准控制力的特点,探究了细胞膜外微绒毛及细胞膜内侧微丝的分布。在基本不破坏细胞结构的情况下,研究了微绒毛及微丝结构在细胞中的两层分布:细胞膜表面为微丝构成的单根和聚集成簇的微绒毛结构以及在这层下面是由粗细不同的微丝构成的致密网格结构。此外,通过AFM高分辨成像还获得了的单根微丝的形貌和细胞内致密微丝网格结构的特点。第三、利用AFM精准控制力的优势,还初步探究了微丝在自噬信号传递中的作用。通过AFM的针尖刺激细胞,研究了纳米机械力对细胞自噬水平的影响,发现了机械力引起的细胞自噬能传递给相连细胞,并且这种传递在同种或不同种细胞间均会发生。最后,通过构建N2a细胞的间隙连接,探究了间隙连接在相邻细胞间自噬传递中的作用。以上研究工作展示了AFM在研究活细胞的动态过程和细胞内微丝的空间分布中的优势,以及微丝在力信号传递中的功能。文章最后对以上工作进行了总结和展望。
【图文】：

形貌,细胞表面结构

可以提高人们对生命奥秘和人类相关疾病的理解。通过对细胞表面进行观察，发现细胞表面不是光滑的而是粗糙的，细胞表面杂乱分布着多种形貌的结构成分（图1.1a），有些类似囊泡结构，有些柱状体结构。细胞表面的这些复杂成分，使得普通方法很难区分细胞表面的结构和组分。目前，已经认识到细胞膜上存在一些特殊的结构成分，如糖类、蛋白质、脂筏等，此外细胞表面还有一些特化的器官，如微绒毛、纤毛、片状伪足等（图1.1 b）[50-52]，这些结构在生理上具有一定的功能，如物质的吸收、信号传递、抗原呈递

细胞膜

脂质、40％蛋白质、2％-10％糖类、少量水、无机盐和金属离子等[63]（图1.2a）。磷脂、胆固醇和糖脂构成膜脂质的主要部分。细胞膜表面的复杂成分，对细胞表面的研究带来了许多困难，因为这些结构较小，又很难分离和去除，甚至有些结构大小类似，因此细胞膜结构的研究还存在许多不足。此外，细胞膜内侧的细胞器、以及细胞骨架等结构成分，对细胞膜的支撑也起到重要的作用[64]（图1.2b）。细胞中的结构成分（微丝、微管、内质网等）与细胞膜相互作用，能形成高度有序复杂的代谢网络，，这些结构对于维持细胞的活性和生理功能十分重要。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q241

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