無數(shù)的事實不斷提醒著我們，歷經(jīng)千萬年的進化而存在至今的各種生命體中時刻充滿著精妙優(yōu)美、高效和諧的生命活動。而作為生命體基本功能單元的細胞，雖然尺寸非常微小（哺乳動物細胞一般在幾十微米），但具有豐富多樣的區(qū)室化結(jié)構(gòu)（細胞器等）和數(shù)量眾多的大分子復合物，以實現(xiàn)生物學功能的精確調(diào)控?，F(xiàn)代生物學的理論基石——細胞學說（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法徹底解析任一細胞在穩(wěn)態(tài)/應激條件下的分子水平精細結(jié)構(gòu)，自然也無法隨心所欲地改造/控制細胞，實現(xiàn)人類健康和社會進步的宏偉目標。

程序性死亡是細胞命運決定的關(guān)鍵一環(huán)，很可能是細胞個體所做出的最重大的抉擇。單個細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)了多種程序性細胞死亡模式，如凋亡（apoptosis）、壞死樣凋亡（necroptosis）和焦亡（pyroptosis）等，其復雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)顯示著細胞對于死亡這一終極抉擇的慎重。我們對于這種精細調(diào)控的理解相當程度上來源于經(jīng)典的炎癥明星分子——腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）所介導的細胞壞死樣凋亡。該刺激信號能夠促使關(guān)鍵蛋白RIP1和RIP3形成壞死小體復合物（necrosome），進而招募并激活下游分子MLKL，后者轉(zhuǎn)位到細胞膜最終導致細胞死亡。壞死小體作為細胞壞死樣凋亡的重要信號處理樞紐，涉及到多個核心分子（RIP1/RIP3/MLKL）的招募激活和信號放大/轉(zhuǎn)變等復雜過程。常規(guī)共聚焦熒光顯微鏡的結(jié)果顯示細胞死亡過程會產(chǎn)生大小不等的壞死小體點狀信號（necrosome puncta），提示該信號樞紐很可能存在動態(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），壞死小體在細胞中是如何精準處理復雜信號，進而決定細胞死亡命運，仍然是一個未解的謎團。

韓家淮院士和陳鑫團隊長期聚焦于細胞程序性死亡的分子機制研究，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）。在一次次仔細觀察細胞死亡的形貌變化過程中，他們逐漸對細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年諾貝爾化學獎），該團隊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莊小威實驗室發(fā)展并命名的單分子定位超分辨成像技術(shù)（STORM）。歷時8年，首次在細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，團隊成員首先對STORM成像全流程進行細致優(yōu)化，在生物樣本上實現(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，成功觀察到死亡細胞中的壞死小體由初始點團樣結(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。進一步的分子機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），才能有效地誘導下游效應分子MLKL發(fā)生多聚化，進而靶向細胞膜導致細胞死亡發(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，抑制細胞死亡。有趣的是，RIP3激酶活性缺失導致的細胞死亡模式轉(zhuǎn)變（necroptosisàapoptosis）也有賴于該結(jié)構(gòu)中的RIP1多聚化程度，提示團隊發(fā)現(xiàn)的壞死小體馬賽克樣組織結(jié)構(gòu)很可能是細胞內(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，為未來發(fā)展特異性抑制程序性細胞死亡的干預手段提供新的思路。

細胞內(nèi)存在數(shù)量眾多的生物大分子復合物（分子量在MDa，甚至百MDa以上），都是控制生命活動的核心功能樞紐，如DNA復制/轉(zhuǎn)錄起始復合物、mRNA翻譯起始復合物、核孔復合物和細胞器膜上的各類轉(zhuǎn)運復合物等。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，但面對細胞內(nèi)這些結(jié)構(gòu)巨大、成分復雜、高度異質(zhì)的功能復合物仍存在較明顯局限性。韓家淮院士和陳鑫團隊的工作證明納米尺度光學成像是解析此類大型生物大分子復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刻運轉(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生命科學學院陳鑫副教授，韓家淮院士和陳鑫副教授為共同通訊作者。廈門大學物理科學與技術(shù)學院帥建偉教授團隊為圖像數(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基金、國家重點研發(fā)計劃、醫(yī)學科學院創(chuàng)新基金、高等學校學科創(chuàng)新引智計劃等的支持。

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