【文献解读】大肠杆菌相关超高分辨成像（试拍有礼）

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研究介绍

本文作者展示了在固定的大肠杆菌中RNA聚合酶、膜和染色体DNA的相关超高分辨成像，将类核的精确结构信息(dSTORM)与相互作用蛋白的定量超高分辨成像(PALM)相结合，在25和44 min加倍生长的细菌细胞中，可以看到RNA聚合酶和DNA的空间分布，RNA聚合酶在快速生长时集中在高度结构化的类核边缘，而在中快速生长时则分布更均匀，在这两种情况下，类核显示出密集的区域，RNA聚合酶似乎无法进入。这一发现通过RNA聚合酶的活细胞跟踪和随后使用快速固定载玻片的方案对各自的类核进行成像得到了证实。

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研究结果

1、对大肠杆菌连续的超高分辨成像

作者通过观察多个大肠杆菌细胞(4-8)进行视野成像，并基于所有细胞的形状和方向对单个图像进行简单而直接的叠加，以显示不同的关系。

PALM 成像RNA聚合酶（图1-b）、PAINT成像细胞膜（图1-c）和dSTORM成像密集染色质（图1-d）可以相互组合，并与明场叠加（图1-a）。

明场和细胞膜的叠加可以用来提取细胞边界（图1-e），作为一个有用的校准；RNA聚合酶和密集染色质之间的空间关系（图1-f）可以洞察细胞内类核的空间分布和定位；而PALM和dSTORM图像叠加显示了RNA聚合酶和类核的空间排列（图1-g）；最后，所有高分辨通道可以叠加，来研究RNA聚合酶和DNA在细胞内的分布（图1-h）。

2、对生长在不同条件下的大肠杆菌研究

针对上述连续成像方法，作者继续研究了在两种不同条件下大肠杆菌生长的细胞周期中RNA聚合酶和DNA的空间分布和相关性。

图2. 快速生长的大肠杆菌的RNA聚合酶、膜和DNA连续成像 (比例尺1 μm)

细胞在32°C LB中生长，倍增时间为25min，不同大小的单个固定细胞表示不同的细胞周期阶段，在整个细胞周期中，RNA聚合酶 (图2-a)主要分布在结构良好的类核(图2-c)附近，类核分裂伴随着可区分的RNA聚合酶带的形成。类核本身凝聚的纤维要么在膜附近(图2-b)，要么横跨细胞质的整个宽度，如图通道覆盖层(图2-d)。

图3、大肠杆菌细胞在LB和M9 + CAA中生长的比较(倍增时间分别为25 min和44 min) (比例尺1 μm)

图3-a是RNA聚合酶(黄色)、膜(红色)和DNA(青色)的复合物。结果显示，RNA聚合酶在快速生长（LB）期间与类核（图3-c）相关密切，但在缓慢生长（M9+CAA）期间分布更均匀；在LB培养基中，DNA细丝接近细胞膜，而在M9+CAA中生长的细菌类核似乎与细胞膜分离，结构较差。RNA聚合酶-核苷酸关系的表达也不同：相比于慢生长(M9 + CAA)， RNA聚合酶在快速生长(LB)时更接近致密的类核区域(图3-d，绿色表示DNA，品红线表示类核的轮廓)。

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研究总结

作者展示了细菌细胞中蛋白质分布及动力学、膜和染色体结构的相关成像，研究了两种不同生长介质中RNA聚合酶和染色体DNA的空间模式，通过组合PALM和dSTORM，可以获得相同的单个细胞，将活细菌细胞中RNA聚合酶的动力学与高度分辨的类核相关联，可以深入了解蛋白质动力学。将这些方案应用于其他类核相关蛋白、不同培养基和药物处理的细胞，以便更好地理解在如此小的规模下发生的相互作用和复杂机制。

本文主要借助STORM技术来标记分析分子相互作用关系。这项2014年诺贝尔化学奖的发现已在国内实现产业化。宁波力显智能科技有限公司(INVIEW)现已发布超高分辨率显微系统iSTORM，采用3D随机光学重构技术、高精度细胞实时锁定技术、多通道同时成像技术等，以纳米级观测精度、高稳定性、广泛环境适用、快速成像、简易操作等优异特性，获得了超过50家科研小组和100多位科研人员的高度认可。

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参考文献

[1] Spahn C ,  Cella-Zannacchi F ,  Endesfelder U , et al. Correlative super-resolution imaging of RNA polymerase distribution and dynamics, bacterial membrane and chromosomal structure in Escherichia coli[J]. Methods Appl Fluoresc, 2015, 3(1):014005.