华东师范李迪教授团队发展操纵细胞膜异质性的分子工具【关键仪器之一STORM-AFM联用系统】

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。由于脂筏的高度动态特性，目前的成像技术难以对活细胞膜上的脂筏进行实时成像，因此脂筏动态组装过程与下游信号通路间的定量关联尚无法建立。华东师范大学化学与分子工程学院李迪教授团队长期致力于发展利用各种物理或化学方法扰动脂筏，探索脂筏的成分、尺寸、寿命等物理参数与下游信号通路间的关联。

近期，李迪教授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。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 (PNAS, 2023, 120,e2312603120)，

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2312603120。

（A）通过整合矩形DNA折纸支架、Au纳米棒和各种适体设计纳米加热器。（B）通过CTxB或TfR适体将纳米加热器定位在脂质筏或非筏结构域，然后引入808 nm激光来激活纳米加热器。（C）矩形DNA折纸和Au-NR负载的DNA折纸的AFM图像。（标尺：120nm）。（D）Au NRs、ss-DNA修饰的Au NRs、Au NR负载的DNA折纸和DNA折纸的Zeta电位。（E）含有纳米加热器的缓冲溶液在用808 nM激光连续照射1分钟后的温度变化。（F）脂筏锚定的纳米加热器和非筏锚定的纳米加热器在MCF-7细胞膜上的双色超分辨成像。（标尺：10 μm，放大：2 μm）。（G）蛋白质印迹分析不同处理后HSP70的表达水平。

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显著增加细胞迁移能力。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）。

与以往研究不同，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。

本研究中关键数据之一“分子工具与细胞膜不同功能域的空间共定位”是在广州微视光学科技公司的直接随机光学重建显微镜（dSTORM）上采集的（图1F）。李迪教授团队采购了微视光学科技公司在国内销售的第一台STORM-AFM联用显微镜，该显微镜在双色荧光共定位消色差、光学系统集成等方面具有独特优势。