2019-04-12 05:52:01
新的成像技术揭示了细胞死亡前的爆发活动

研究微小细胞的运动并非易事。对于染色质,包含在我们基因组中的DNA,RNA和蛋白质大分子组,运动是其作为我们的基因如何表达或抑制的调节器的积极作用的组成部分。

“了解大分子运动至关重要,但科学家们对此知之甚少,”西北大学生物医学工程学教授沃尔特·迪尔·斯科特说。 “部分原因是因为我们缺乏观察这些过程的工具技术。”

现在,由Backman领导的McCormick工程学院的一个研究小组开发了一种新的光学技术来研究细胞的运动,而不使用标记或染料来跟踪它们。这种创新方法还揭示了一种未被发现的现象,可能在细胞死亡的早期阶段发挥作用。

该团队的见解于4月10日在Nature Communications杂志上发表。该论文的标题是“基于多模态干涉的纳米级结构成像和大分子运动揭示紫外诱导的细胞发作”。

虽然科学家们目前可以使用分子染料或标签跟踪细胞的运动,但这种做法存在局限性。染料是有毒的,并且在最终杀死它们之前改变细胞的行为。标签附着在细胞上,可能有毒或导致光漂白,并可警告它们标记的分子的运动。

这项名为dual-PWS的新技术不含标签,可以在不使用染料的情况下成像和测量大分子运动。基于Backman先前创建的定量成像技术(称为偏振波光谱(PWS)),该平台利用来自反向散射光的干涉和图案变化来监测细胞的大分子结构及其动态运动。

“基因的转录或受损蛋白质的修复等关键过程需要在高度紧凑的复杂环境中同时运动许多分子,”博士Scott Gladstein博士说。 Backman实验室的学生和该研究的第一作者。 “作为一种能够测量活细胞内细胞内结构和大分子动力学的成像平台,对结构小至20?nm的灵敏度具有毫秒级的时间分辨率,双PWS特别适合我们研究这些过程。 “

研究人员通过研究体外真核细胞染色质的纳米级结构和动态变化来应用双PWS。利用紫外线诱导细胞死亡,研究小组测量了细胞染色质的运动方式。

“有意义的是,随着细胞即将死亡,它们的动力会减弱,”巴克曼说。 “活细胞中存在的促进运动有助于表达基因并改变它们对刺激作出反应的表达。我们期待这一点。”

研究人员没想到的是第一次目睹生物现象。 Backman说,细胞在衰变期间达到“不归点”,即使细胞损伤的来源停止,细胞也无法自我修复到正常状态。使用双PWS,研究人员观察到,就在这个转折点之前,细胞的基因组突然快速,瞬间运动,细胞的不同部分似乎随机移动。

“我们测试的每一个注定死亡的细胞经历了这种阵发性的混蛋。它们都不会在它发生后恢复到可行的状态,”负责西北大学新的物理基因组学和工程中心的Backman说。

该团队尚不清楚为何或如何发生称为细胞发作的现象。 Backman最初想知道这种运动是否可能是由于离子进入细胞,但这样的过程需要花费太长时间。细胞结构的不协调运动发生在毫秒之内。

“生物学中没有任何东西可以快速移动,”巴克曼说。他补充说,他的实验室成员对结果感到非常惊讶,他们开玩笑说这种现象可以解释为“中间人”离开牢房,这是星球大战电影中“力量”的化学体现。

虽然细胞发作仍然是一个谜,但Backman认为该研究小组的研究结果强调了研究活细胞大分子行为的重要性。研究人员对染色质的了解越多,他们就越有可能有一天能够调节基因表达,这可能会改变人们对癌症和老年痴呆症等疾病的治疗方式。

“你能想象的每一个生物过程都涉及某种大分子重排,”巴克曼说。 “随着我们扩大研究范围,我不禁怀疑,'接下来我们会发现什么?'”

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