超分辨顯微鏡下的細胞之城

   你知道嗎？人類的身體共有37萬億個細胞，它們不斷分裂，維持機體正常生長發(fā)育；它們不斷運動，把自己輸送到有需要的地方；它們英勇無畏，抵抗細菌入侵；它們溫暖陽光，不斷把糖脂轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷（ATP）。

   無論何時，細胞對我們都不離不棄，而我們對細胞卻沒那么熟悉。基于海森結(jié)構(gòu)光—光學(xué)衍射層析雙模態(tài)超分辨率顯微鏡（簡稱超分辨），讓我們用“上帝”的視角走進這座神秘的細胞之城。

 

動態(tài)的細胞與細胞器

 

   細胞是一切生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。一個細胞的大小可能只有10~20個微米。在這個小小世界里，有一個發(fā)號施令的司令部——細胞核，它保存著所有的遺傳信息。

   除了司令部以外，還有不少“搬磚”的，比如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，它是細胞內(nèi)除核酸以外的一系列重要的生物大分子（如蛋白質(zhì)、脂類和糖類）合成的基地。還有線粒體，這是一種存在于大多數(shù)細胞中的由兩層膜包被的細胞器，是細胞中的“能量工廠”。像小球一樣的溶酶體，就好像細胞里的垃圾站，所有不需要的東西都會在此分解、轉(zhuǎn)化，再重新進行循環(huán)。

   正如我們看一張照片無法體會城市的喧嚷一樣，靜態(tài)的細胞結(jié)構(gòu)圖同樣不能凸顯細胞之城的熱鬧。

   透過超分辨，這一切發(fā)生了翻天覆地的變化。異常活躍的細胞之城變得清晰可見：線粒體就像一條細小的蟲子一樣爬來爬去，閃閃發(fā)光的脂滴格外耀眼，成群結(jié)隊的溶酶體活潑好動，漁網(wǎng)一樣的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)更是密密麻麻。

   與傳統(tǒng)上展示的固定結(jié)構(gòu)不同，在一個細胞分裂成兩個細胞的過程中，線粒體一開始會像無頭蒼蠅一般爬來爬去，到分裂的某個階段時，它像商量好似的變得很有規(guī)律，朝向一致。

   亮晶晶的脂滴是細胞內(nèi)中性脂的主要儲存場所。當細胞分裂時，幾個小脂滴“手拉手”連在一起，形成了一個大脂滴，但是它們又保存著各自的獨立性，沒有相互融合。

   在一個完整的細胞分裂過程中，傳統(tǒng)的生物學(xué)知識會傾向于關(guān)注遺傳物質(zhì)是否拷貝完備，而在超分辨的視角下，我們則更感興趣的是這些細胞器是否需要很好地分配。

 

“竊竊私語”的細胞器

 

   實際上，在不停運轉(zhuǎn)的細胞器之間有非常多的交流。不僅如此，和人類世界一樣，細胞之城中除了普通大眾外，也存在少量的“天才”和“瘋子”。

   借助超分辨的“慧眼”，可以看到細胞里面所有的線粒體，但是這絕大多數(shù)的線粒體都比較短，像短棒一樣隨機分布，屬于“普通人”。但是在細胞的核膜旁邊，一個像長長的蚯蚓一樣的線粒體格外顯眼，它與核膜的關(guān)系也不一般，當它移動的時候，核膜也在隨之移動，在某種意義上這就是個“天才”線粒體。

   與普通的只需提供能量的線粒體不同，“天才”線粒體與核膜緊密接觸，仿佛在相互交流，有可能是專門為細胞核供應(yīng)能量，也有可能是要生產(chǎn)一些新東西……

   細胞器之間的交流是一種非常普遍的現(xiàn)象。因為每個細胞器都有其獨特的功能，比如說有的是總司令部，有的是垃圾回收站，有的能生成能量，有的能儲存能量，有的則能合成蛋白……要行使這些不同的功能，就要求其創(chuàng)造不同的局部環(huán)境。

   其實，細胞里面的很多狀態(tài)的變化是通過細胞器之間的交流來實現(xiàn)的。比如線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相互作用時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)會把線粒體一分為二，這時線粒體內(nèi)部的一些DNA可以分配的很均勻。

   除了將線粒體一分為二的常見現(xiàn)象，有時還會出現(xiàn)一些罕見的現(xiàn)象，線粒體并沒有被一分為二，而是像攤煎餅一樣鋪開的很大，過一會兒再還原。雖然我們還不是很清楚線粒體這種接觸到底有怎樣的作用，但它肯定有非常重要的功能，有待于人們的進一步探究。

 

學(xué)習(xí)與記憶

 

   人們常說，魚只有7秒的記憶。但這并非事實。

   我們用斑馬魚進行了學(xué)習(xí)記憶的實驗。在學(xué)習(xí)前，實驗人員用光照斑馬魚，它看見了光，既沒有正反應(yīng)，也沒有負反應(yīng)，始終一動不動。隨后，實驗人員在給光照的同時，用玻璃針觸碰斑馬魚，這種機械的刺激讓它感到很不舒服，于是斑馬魚抖動了一下尾巴。這個過程重復(fù)半小時，斑馬魚就會“記住”這件事，即一有光照，就會有東西觸碰，尾巴就要抖動。

   在測試斑馬魚記憶的過程中，實驗人員只給了光照，并沒有碰觸它，斑馬魚仍然會抖尾巴，據(jù)此我們就認為它對這件事產(chǎn)生了記憶。

   但是這種記憶究竟有多穩(wěn)定呢？實驗人員經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，斑馬魚學(xué)習(xí)半小時之后，在隨后的6.6小時內(nèi)，記憶比較穩(wěn)定。但12小時后，這種記憶開始出現(xiàn)不穩(wěn)定，即給一次光照，斑馬魚有時抖一下尾巴，有時沒反應(yīng)，這時就說明它開始出現(xiàn)遺忘。

   此時，如果不去做任何改變的話，它到14小時或16小時后就會完全忘記。但如果在6小時或者12小時的時候，讓斑馬魚重新學(xué)習(xí)半小時，此時再進行測試，你會發(fā)現(xiàn)它的記憶非常穩(wěn)定，記憶不穩(wěn)定的時間從原來的第12小時推遲到第24小時。

   在這個過程中，透過光片顯微鏡可以看到斑馬魚大腦里所有的神經(jīng)元，我們期待了解在其學(xué)習(xí)的過程中，神經(jīng)元的活動發(fā)生了怎樣的變化？神經(jīng)元個體的活動特性有怎樣的改變？一群神經(jīng)元連在一起時，群體特性發(fā)生了怎樣的改變？不止如此，我們還想知道斑馬魚遺忘的時候，神經(jīng)元又出現(xiàn)了怎樣的變化？

 

細胞的時間尺度

 

   毋庸置疑，細胞是有時間概念的。

   一個分子馬達，一秒鐘可以游過一個微米距離的細胞，如果是10微米大小的話，則能游過1/10個細胞的大小。

   所謂的一個細胞的尺度，是指從一個母細胞分裂成一個子細胞的過程，具體的時間范圍主要取決于具體的細胞類型。

   人體中包含著200種細胞、37萬億個細胞，它們每時每刻都在發(fā)生著變化。因此，我們每個人都是不同細胞的集合體。

   正如“人不可能兩次踏進同一條河流”一樣，人體的細胞無時無刻都在變化。人體的不同細胞整體更新一次的時間也各有差異，比如胃細胞需要7天；皮膚需要兩周；紅細胞需要120天；肝臟需要一年到一年半；骨骼則需要十年。

   事實上，影像學(xué)各種新技術(shù)的出現(xiàn)，為觀察這些變化、推動生物學(xué)的發(fā)展帶來了翻天覆地的變化，它讓我們看的更清楚、更動態(tài)。成像技術(shù)有兩個關(guān)鍵點，時間分辨率和空間分辨率，借助這雙“慧眼”不僅可以擁有更多的觀察視角，還有助于觀察之前看不見的精細生命活動過程，展現(xiàn)生命體順序變化的過程。

   當我們能夠看得越來越仔細，越來越清楚，而且能夠以越來越快的速度看到細胞里面這些分子的動態(tài)變化過程時，我們就可以看清楚疾病的發(fā)病機制，真正地深入理解這個機制是什么樣子，才能找到對癥的治療藥物。■

（作者系北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所教授，內(nèi)容改編自“中國生物物理學(xué)會嗶哩嗶哩官方賬號”，記者倪偉波整理）