【预约试拍】超分辨率显微镜STORM揭示巨噬细胞足体簇的纳米结构和调控

巨噬细胞是免疫系统的重要调节因子，在组织稳态中发挥关键作用。它们主要通过吞噬病原体和抗原呈递参与先天性和适应性免疫。它们还通过产生各种细胞因子参与炎症反应。巨噬细胞向组织的趋化性是宿主对感染或损伤反应的重要步骤。尽管细胞外基质对细胞迁移产生空间障碍，巨噬细胞可通过细胞内细胞骨架的持续重塑穿过大多数身体组织。本文主要研究小鼠腹腔巨噬细胞中足小体的超微结构、时空组织和调控及其降解基质的功能。利用超分辨率显微镜STORM，通过颗粒重叠法，作者提供了足体肌动蛋白核心和环组分蛋白的精确相互定位。此外，作者揭示了足体和肌球蛋白IIA层微管细胞骨架之间的物理偶联，并表明微管相互作用参与维持足体的完整性。通过光刻技术改进基质包被技术，作者发现巨噬细胞形成足体簇的能力和基质降解之间存在良好的相关性。最后，作者证明了肌动球蛋白和微管细胞骨架的调节显著影响巨噬细胞对足体基质的降解。01研究结果1.原代巨噬细胞足体的超微结构及其对细胞外基质的降解从C57 BL/6小鼠分离原代腹膜巨噬细胞，并按照标准组织培养方案在补充有10%FBS的RPMI 1640培养基中培养。为了在纳米尺度上探索巨噬细胞足体的时空结构排列，我们将细胞固定在体外培养的不同时间点，用F-actin或桩蛋白进行荧光标记，如图所示，4小时和18小时培养后巨噬细胞的肌动蛋白/桩蛋白的代表性STORM图像显示出比常规衍射限制图像显著改善的横向和轴向分辨率（图1A、1B）。图1.不同培养时间小鼠腹腔巨噬细胞足体簇的形成及细胞外基质的降解（A和B）培养4小时（A）和18小时（B）后个体小鼠腹膜巨噬细胞中肌动蛋白的代表性3D-STORM图像。(C-E)在培养18小时的巨噬细胞中(F)显示培养4、12、18和24小时后巨噬细胞降解FN的代表性图像。(G)显示在指定时间点具有足体簇的细胞百分比总结的箱形图。2.超分辨率显微镜STORM显示巨噬细胞足体中肌动蛋白核心、桩蛋白环和肌球蛋白IIA环的纳米级相互定位为了更详细地研究足体成分的空间排列，我们对培养18小时后的巨噬细胞进行了检查。图2.超分辨率显微镜STORM显示巨噬细胞足体肌动蛋白核、桩蛋白环和肌球蛋白IIA环的空间关系（A和E）培养18小时的单个巨噬细胞中肌动蛋白/桩蛋白（A）和肌动蛋白/肌球蛋白IIA（E）的代表性超分辨率显微镜STORM结果。（B和F）放大（a）和（b）中所选区域（红框）的叠加图像。白色框是包含单个足体的选定区域。（C和G）与相应的衍射限制落射荧光图像相比，（B）和（F）中黄色虚线穿过的三个足体的放大图。此外，还示出了沿着黄色虚线截取的肌动蛋白/桩蛋白（C）和肌动蛋白/肌球蛋白IIA（G）强度的分布。（D和H）来自（B）和（F）的五个单独的足体中肌动蛋白和桩蛋白/肌球蛋白IIA在xz和yz平面中的分布（白色框）。（I和J）通过颗粒叠加法显示肌动蛋白/桩蛋白（I）和肌动蛋白/肌球蛋白IIA（J）在足体结构中的空间拓扑学的三维复合图形。（K和L）通过在z方向上投影复合图形得到的肌动蛋白/桩蛋白（K）和肌动蛋白/肌球蛋白IIA（L）的z位置的分布图。3.超分辨率显微镜STORM显示微管穿过巨噬细胞肌球蛋白IIA层的足体除了与细胞内肌动球蛋白网络的紧密互连外，据报道，足体还与微管细胞骨架直接或间接连接。图3.超分辨率显微镜STORM显示巨噬细胞足体与微管的交联（A、D和E）培养18小时的单个巨噬细胞中α-微管蛋白与肌动蛋白（A）、桩蛋白（D）和肌球蛋白IIA（E）的代表性双色STORM结果。右侧显示了5个单独的足体（白色框）中肌动蛋白/α-微管蛋白（A）、α-微管蛋白/桩蛋白（D）和α-微管蛋白/肌球蛋白IIA（E）在xz和yz平面上的分布。(B)与肌动蛋白和肌球蛋白IIA相比，足体中肌动蛋白和α-微管蛋白的z位置总结（已在图2 I中显示）（在三个独立实验中，来自12个细胞的n = 60个足体）。(C)足体的三维超微结构模型描述了足体成分和微管连接的空间定位关系。足体是巨噬细胞中的圆顶状结构。Arp 2/3-分支肌动蛋白丝（红色）组成了由肌球蛋白IIA（紫色）包裹的无分支肌动蛋白丝（橙子）包围的足体核心。Cap蛋白（绿色）位于顶部。肌动蛋白丝通过环蛋白相互作用（例如，蓝色：桩蛋白）到粘附分子（例如，整联蛋白），其与细胞外基质连接。微管（深绿色和绿色）在肌球蛋白IIA水平穿过足体。4.肌动球蛋白细胞骨架对巨噬细胞足体簇形成和组织的影响作者进一步研究了肌动球蛋白机制在巨噬细胞足体簇形成和组织中的作用。图4.调节肌球蛋白IIA活性对巨噬细胞足体簇形成的影响（A和B）培养16小时然后用Bleb（20mM）或Y27632（20mM）处理2小时的单个巨噬细胞中肌动蛋白和肌球蛋白IIA的代表性双色STORM结果。上面分别显示了肌动蛋白（洋红色）和肌球蛋白II（绿色）的单独图像和重叠图像，下面显示了两个选定区域（红色和黄色框）的放大图像。黄色箭头显示Bleb诱导的肌球蛋白IIA从足体簇区域脱位。（C和D）Bleb（n = 426）和Y27632（n = 630）预处理巨噬细胞中足体肌动蛋白核心的圆形度总结。（E和F）Bleb（n = 426）和Y27632（n = 630）组中足体肌动蛋白核心半径的总结。(G)Bleb和Y27632组中足体簇的密度总结。(H)显示培养16小时，然后用或不用Cyto D（1 mM）、Bleb（20 mM）或Y27632（20 mM）处理2小时的巨噬细胞中具有足体簇的细胞百分比总结的箱形图。数值报告为至少三次独立实验的平均GSD。通过非配对Student t检验分析统计学显著性。5.巨噬细胞中足体簇的基质降解也受到细胞内肌动球蛋白和微管细胞骨架的调节最后，作者研究了肌动球蛋白和微管骨架对巨噬细胞基质降解功能的影响。图5.不同药物对巨噬细胞基质降解的调控(A-G)显示与Cyto D（100nM）、Bleb（10mM）、Y27632（10mM）、Noc（5mM）、Noc（5mM）+Y27632（10mM）和Noc（5mM）+Bleb（10mM）一起培养18小时的巨噬细胞的基质降解的代表性图像。第一行显示巨噬细胞的明场图像。第二行显示相同区域的荧光标记FN的图像。第三行显示用DAPI染色的细胞核的图像。(H)显示在不同处理18小时下具有足体簇的细胞百分比总结的箱形图（A-G）。(I)显示（A-G）中指定处理下每个细胞降解面积总结的箱形图。02研究总结总之,本研究揭示，在体外细胞培养过程中，原代小鼠巨噬细胞形成高度有序的足体簇，其启动时间依赖性细胞外基质降解。基于强大的超分辨率显微镜STORM，作者研究了足体肌动蛋白核心和环成分的纳米级排列，并证明了微管在肌球蛋白IIA水平穿过足体。此外，作者还开发了一种结合单个足体的多幅图像进行足体成分对三维重建的粒子叠加方法，改善了不同足体成分z分布的可视化和分析。结合药理学方法，作者认为微管除了通过通常假设的Rho/ROCK肌球蛋白IIA信号传导调节巨噬细胞的组装外，还在物理上稳定巨噬细胞中形成的足体簇。作者的研究结果将丰富足体纳米结构的信息，并为理解巨噬细胞基质降解足体的调节提供见解。在本研究中，研究者主要借助STORM超分辨率显微镜来研究巨噬细胞足体簇的纳米结构和调控，目前在国内，随机光学重建显微镜STORM已成功实现商用，有需要STORM成像技术进行实验研究的专家老师们，请文末填写问卷，即可预约获得 iSTORM 超高分辨率显微成像系统试拍服务~力显智能现已发布的超高分辨率显微成像系统 iSTORM，成功实现了光学显微镜对衍射极限的突破，使得在20纳米的分辨率尺度上从事生物大分子的单分子定位与计数、亚细胞及大分子复合物结构解析、生物大分子生物动力学等的研究成为现实，从而给生命科学、医学等领域带来重大突破。