Dual-objective STORM reveals three-dimensional filament organization in the actin cytoskeleton

在近期公佈的美國國家科學院增選院士名單中，一位著名的華裔女科學家入選，這位青年科學家畢業於中國科技大學少年班，19歲考取全額獎學金赴美攻讀博士學位，2003年榮獲美國麥克阿瑟基金會評選出的“天才獎”，獨得獎金50萬美元。之後在她34歲的時候就成為了哈佛大學正教授。

她就是莊小威教授，今天她當選美國國家科學院院士，年僅40歲，這也是目前為止最年輕的華人院士，這位女科學家主要從事顯微成像方面的研究，曾研發了一種比傳統光學顯微鏡高10倍以上的分辨率的顯微技術，並將這種技術命名為隨機光學重建顯微法(stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)。

今年莊小威研究組又在之前​​研究的基礎上，改進了STORM，通過雙物鏡STORM，揭示了肌動蛋白骨架纖維組織的三維結構，這篇題為“Dual-objective STORM reveals three-dimensional filament organization in the actin cytoskeleton”的文章，公佈在Nature Methods雜誌上。

隨機光學重建顯微鏡（STORM）是一種高級的光學顯微術，通過這一技術能夠表現組織或細胞更加細微的結構。之前廣泛應用於生物醫學領域的光學顯微技術由於​​受到衍射極限的限制，分辨率通常為幾百個納米左右。這要比細胞內典型的分子結構大，這樣很多生物學的研究都無法用光學顯微鏡實現。

而STORM採用光轉換熒光探針，在時間上分離相互重疊發光的熒光分子，然後重構得到高分辨率圖像。應用這一想法，分子復合物，細胞及組織的二維，三維多色熒光成像的分辨率可達到數十納米。這一技術可以記錄納米尺度的細胞內分子間相互作用及組織內細胞間的相互作用。

在這一基礎上，莊小威等人又進行了改進，他們將散光成像（astigmatism imaging）與雙物鏡構架相結合，提高了隨機光學重建顯微鏡STORM的成像分辨率，在生物成像中獲得了小於10納米的橫向分辨率，以及小於20納米的縱向分辨率。

採用這種方法，研究人員對細胞中的微絲進行了成像，揭示了這種重要細胞骨架的超微結構——微絲是由肌動蛋白（Actin）組成的直徑約為7nm的纖維結構。肌動蛋白單體（全稱為“球狀肌動蛋白”，簡稱“G肌動蛋白”）表面上有一個ATP結合位點。肌動蛋白單體可一個接一個連成一串肌動蛋白鏈，而微絲則由兩串這樣的肌動蛋白鏈互相纏繞扭曲成而成。微絲對於細胞貼附、鋪展、運動、內吞、細胞分裂等許多細胞功能具有重要作用。

從這一結構中，研究人員觀察到在片狀細胞突起中，有兩個不同結構組織，垂直分層的肌動蛋白網絡。這對於進一步解析微絲結構功能具有重要意義。

莊小威研究組利用STORM等技術獲得了不少關鍵分子的結構，比如DNA模式樣品和哺乳動物細胞的多色成像；對HIV病毒逆轉錄酶RT與核酸底物之間的相互關係進行了實時監控，獲得了相關的動力學數據，對於艾滋病的治療意義重大。

去年她還與另外一位華人科學家利用超分辨率熒光顯微鏡結合染色體構象捕獲分析法對活體大腸桿菌細胞內的擬核相關蛋白（nucleoid-associated proteins ，NAPs）進行了跟踪觀察，並由此揭示了細菌遺傳物質組織機制。

(a) Schematic of setup. Two microscope objectives are placed opposite each other and focused on the same spot of the sample. Astigmatism is introduced into the images collected by both objectives using a cylindrical lens. M, mirror; Obj., ob…

(a) Dual-objective STORM image of actin (labeled with Alexa Fluor 647-phalloidin) in a COS-7 cell. The z positions are color coded (violet and red, positions closest to and farthest from substratum, respectively). (b) Close-up of boxed regio…

(a) Dual-objective STORM image of actin in a BSC-1 cell. The z positions are color coded (color bar). (b,c) Vertical cross sections (each 500-nm wide in x or y) of cell in a along dotted and dashed lines, respectively. When far from cell edg…

原文出處：nature