無數(shù)的事實(shí)不斷提醒著我們，歷經(jīng)千萬年的進(jìn)化而存在至今的各種生命體中時(shí)刻充滿著精妙優(yōu)美、高效和諧的生命活動(dòng)。而作為生命體基本功能單元的細(xì)胞，雖然尺寸非常微小（哺乳動(dòng)物細(xì)胞一般在幾十微米），但具有豐富多樣的區(qū)室化結(jié)構(gòu)（細(xì)胞器等）和數(shù)量眾多的大分子復(fù)合物，以實(shí)現(xiàn)生物學(xué)功能的精確調(diào)控?，F(xiàn)代生物學(xué)的理論基石——細(xì)胞學(xué)說（cell theory，1838年-1858年，由施萊登、施旺提出，魏爾肖完善）誕生至今已經(jīng)將近兩百年，我們?nèi)匀粺o法徹底解析任一細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)/應(yīng)激條件下的分子水平精細(xì)結(jié)構(gòu)，自然也無法隨心所欲地改造/控制細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)人類健康和社會進(jìn)步的宏偉目標(biāo)。

程序性死亡是細(xì)胞命運(yùn)決定的關(guān)鍵一環(huán)，很可能是細(xì)胞個(gè)體所做出的最重大的抉擇。單個(gè)細(xì)胞的死亡并不意味著終結(jié)，而常常是在生理病理過程中以多種多樣的方式發(fā)揮著不可或缺的影響。人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種程序性細(xì)胞死亡模式，如凋亡（apoptosis）、壞死樣凋亡（necroptosis）和焦亡（pyroptosis）等，其復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)顯示著細(xì)胞對于死亡這一終極抉擇的慎重。我們對于這種精細(xì)調(diào)控的理解相當(dāng)程度上來源于經(jīng)典的炎癥明星分子——腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）所介導(dǎo)的細(xì)胞壞死樣凋亡。該刺激信號能夠促使關(guān)鍵蛋白RIP1和RIP3形成壞死小體復(fù)合物（necrosome），進(jìn)而招募并激活下游分子MLKL，后者轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。壞死小體作為細(xì)胞壞死樣凋亡的重要信號處理樞紐，涉及到多個(gè)核心分子（RIP1/RIP3/MLKL）的招募激活和信號放大/轉(zhuǎn)變等復(fù)雜過程。常規(guī)共聚焦熒光顯微鏡的結(jié)果顯示細(xì)胞死亡過程會產(chǎn)生大小不等的壞死小體點(diǎn)狀信號（necrosome puncta），提示該信號樞紐很可能存在動(dòng)態(tài)組裝過程。雖然早期的體外結(jié)構(gòu)分析揭示了RIP1-RIP3 RHIM結(jié)構(gòu)域的淀粉樣特性（Cell. 2012，150:339-50），壞死小體在細(xì)胞中是如何精準(zhǔn)處理復(fù)雜信號，進(jìn)而決定細(xì)胞死亡命運(yùn)，仍然是一個(gè)未解的謎團(tuán)。

韓家淮院士和陳鑫團(tuán)隊(duì)長期聚焦于細(xì)胞程序性死亡的分子機(jī)制研究，尤其擅長從成像角度解析重要分子的功能模式（MLKL, Cell Res. 2014，24:105-21; GSDMD, Cell Res. 2016,26:1007-20）。在一次次仔細(xì)觀察細(xì)胞死亡的形貌變化過程中，他們逐漸對細(xì)胞壞死樣凋亡的核心樞紐——壞死小體產(chǎn)生了濃厚的興趣。借助于蓬勃發(fā)展的超分辨成像技術(shù)（2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)），該團(tuán)隊(duì)嘗試了多種目前較成熟的技術(shù)流派（SIM，Airyscan，STED），最終聚焦于由哈佛大學(xué)莊小威實(shí)驗(yàn)室發(fā)展并命名的單分子定位超分辨成像技術(shù)（STORM）。歷時(shí)8年，首次在細(xì)胞原位揭示了壞死小體納米尺度的組裝特性以及該組織結(jié)構(gòu)對細(xì)胞死亡信號的決定作用。相關(guān)工作以《Mosaic composition of RIP1-RIP3 signalling hub and its role in regulating cell death》為題，2022年3月7日發(fā)表于Nature Cell Biology雜志上。

在這一工作中，團(tuán)隊(duì)成員首先對STORM成像全流程進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，在生物樣本上實(shí)現(xiàn)優(yōu)于常規(guī)共聚焦顯微鏡10倍以上的分辨率（13-18 nm定位精度）。其次，成功觀察到死亡細(xì)胞中的壞死小體由初始點(diǎn)團(tuán)樣結(jié)構(gòu)演化為規(guī)則的棒狀結(jié)構(gòu)（直徑約50 nm，長度約200~600 nm）的組裝模式，并且在該規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出明顯的由RIP1/RIP3組成的馬賽克狀分布。進(jìn)一步的分子機(jī)制研究揭示了只有馬賽克分布中的RIP3區(qū)域滿足一定的尺度要求（如四聚體及以上），才能有效地誘導(dǎo)下游效應(yīng)分子MLKL發(fā)生多聚化，進(jìn)而靶向細(xì)胞膜導(dǎo)致細(xì)胞死亡發(fā)生。通過抑制關(guān)鍵因子RIP1的激酶活性可以阻礙壞死小體的有序馬賽克樣棒狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，抑制細(xì)胞死亡。有趣的是，RIP3激酶活性缺失導(dǎo)致的細(xì)胞死亡模式轉(zhuǎn)變（necroptosisàapoptosis）也有賴于該結(jié)構(gòu)中的RIP1多聚化程度，提示團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的壞死小體馬賽克樣組織結(jié)構(gòu)很可能是細(xì)胞內(nèi)控制死亡方式的信號選擇模塊（signaling divarication）。上述結(jié)果在細(xì)胞原位揭示了關(guān)鍵信號樞紐納米尺度上的組織特性及其對信號傳遞/放大/轉(zhuǎn)換的貢獻(xiàn)，為未來發(fā)展特異性抑制程序性細(xì)胞死亡的干預(yù)手段提供新的思路。

細(xì)胞內(nèi)存在數(shù)量眾多的生物大分子復(fù)合物（分子量在MDa，甚至百M(fèi)Da以上），都是控制生命活動(dòng)的核心功能樞紐，如DNA復(fù)制/轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物、mRNA翻譯起始復(fù)合物、核孔復(fù)合物和細(xì)胞器膜上的各類轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物等。單顆粒冷凍電鏡技術(shù)（single-particle cryo-EM）是目前解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的利器，但面對細(xì)胞內(nèi)這些結(jié)構(gòu)巨大、成分復(fù)雜、高度異質(zhì)的功能復(fù)合物仍存在較明顯局限性。韓家淮院士和陳鑫團(tuán)隊(duì)的工作證明納米尺度光學(xué)成像是解析此類大型生物大分子復(fù)合物的組織特征和功能模式的可行方案之一。未來隨著前沿成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如單納米分辨精度顯微鏡、冷凍斷層掃描技術(shù)（cryo-electron tomography, Cryo-ET）等，人類終有一天將能夠清晰地觀察到時(shí)刻運(yùn)轉(zhuǎn)著的，神奇的生命內(nèi)在規(guī)律。

該論文的第一作者為廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳鑫副教授，韓家淮院士和陳鑫副教授為共同通訊作者。廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院帥建偉教授團(tuán)隊(duì)為圖像數(shù)據(jù)處理提供了重要的幫助。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)新基金、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃等的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-022-00854-7

BioArt鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/NkMwUsDJ8aywXAxAKmQTWA

科學(xué)網(wǎng)-小柯生命鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/04qxO9-m50fasyLTZIggRA

（文/陳鑫；圖/萬芷辰）

來源：廈門大學(xué)