攝氏-196度的溫度使細胞內部的高解析度成像成為可能。因此，奧地利科學和技術研究所(IST)的研究人員首次能夠展示蛋白質複合體的活性形式在細胞運動和其他重要生物學功能中的關鍵作用。相關研究發表在近期的《自然通訊》雜誌上。

許多細胞持續運動。有些人從A遷移到B，用尖端的小“腳”來治癒傷口或對抗病原體，這就是所謂的薄片。這些薄薄的擴充套件是向前推進，並繫結到表面，而其餘的細胞被拉走。在這些腳內有一個緊密的網路，由交織在一起的蛋白質線組成，稱為肌動蛋白絲形成細胞的細胞骨架。到目前為止，尚不清楚 Arp 2/3 複合物，一個由7種蛋白質組成的複合物對細胞運動，新芽肌動蛋白從先前存在的細絲，從而產生密集的分支網路提供所需的突出力給細胞。

艱難選擇

直到現在，科學家們還必須決定何時才能分析 Arp 2/3 複合物的結構：一種選擇是孤立地研究 Arp 2/3 複合物，在這種情況下，蛋白質複合物處於不活躍的構象中，因此無法理解網路是如何形成的。然而，為了完全啟用，Arp 2/3 複合物需要與肌動蛋白絲結合。這需要使用一個名為電子層析成像這是以低得多的解析度為代價的。“以前 Arp 2/3 複合物在試管環境中與肌動蛋白纖維結合的電子斷層資料太不精確，因此不可能清楚地指出複合物的各個元素必須位於哪裡，”Florian Fäßler解釋說。他是研究論文的作者之一。

兩年多來，他一直在尋找一種方法來觀察蛋白質複合體在其自然環境中的作用，以便能夠精確地分析單個結構。現在，他已經成功地將這種複合物成像在小鼠細胞的板層內，其活性的肌動蛋白結合構象。

分子生物學家弗洛裡安·舒爾（Florian Schur）說：“我們對自己說：好吧，我們要進入這個細胞，那裡的環境要複雜得多，因為不僅有蛋白質複合物和肌動蛋白絲，還有各種各樣的其他東西。但這是我們能夠維持這個網路的唯一方法，我們可以確定它的結構。”

蛋白複合物Arp 2/3與肌動蛋白絲(灰色)結合時有7個亞基(著色)。

休克冷凍細胞

這是由攝氏-196度的溫度造成的。在幾毫秒內，研究人員凍結了樣品--期間不允許冰晶形成，這會破壞細胞的精細結構。然後他們使用了最強大的冷凍裝置之一-電子冷凍鏡--也是奧地利唯一這樣的一種--用冷凍電子斷層成像從不同的角度對細胞進行成像。這樣，研究小組收集了足夠的資料，用於10,000多個Arp2/3複合物在其活動狀態下的三維重建。結合先進的影象處理，他們生成了 Arp 2/3 複合物的三維模型，解析度小於1奈米。相比之下，人類的頭髮大約有5萬奈米厚。

“我們現在可以比較準確地描述蛋白複合物及其亞基及其如何形成肌動蛋白長絲網路在以前生活的薄片中細胞。五年前，很可能沒人會想到這是可以做到的，”舒爾補充道。

達到極限

由於先進的方法，研究小組駁斥了早先的模型，該模型假設 Arp2/3 複合物和肌動蛋白纖維之間的面積更大。然而，科學家們證實了這種複合物是如何被調控並形成新的肌動蛋白絲的其他方面。有了這些知識，其他科學家現在可以更好地理解這一重要問題。蛋白質複合物其調節和活動的多重作用超出了細胞運動和疾病的發展。

舒爾說：“我們所做的就是在方法和解析度方面儘可能地利用這些複雜的樣本。透過目前的決議，我們獲得了新的生物學洞察力，但它也是一種方法上的進步，表明它是可能的。”Florian Fäßler 現在希望進一步改進該方法，以視覺化其他蛋白質，並探索該方法允許我們在細胞內觀察的範圍。“我們才剛剛開始意識到冷凍電子斷層成像的全部潛力，”舒爾說。

更多資料：Florian Fäßler et al. Cryo-electron tomography structure of Arp2/3 complex in cells reveals new insights into the branch junction, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-20286-x