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北大郭強團隊開發(fā)適用于組織樣品原位結(jié)構(gòu)研究的方法

來源:北京大學(xué)      2023-06-29
導(dǎo)讀:近日,北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、昌平實驗室郭強研究員課題組在Journal of Structural Biology發(fā)表了題為“A practical multicellular sample preparation pipeline broadens the application of in situ cryo-electron tomography”的研究論文。在本項工作中,研究者提出了一種適用于多細胞樣品冷凍電鏡原位結(jié)構(gòu)研究的實用流程,該流程包括樣品分離(圖1a)、冷凍樣品制備(圖1b),以及原位lift-out減?。▓D1c)。

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圖1. 多細胞冷凍電子斷層掃描樣品制備流程示意圖

該方法通過改進冷凍樣品制備方法,使得樣品能夠完整且迅速地從冷凍填充劑中暴露出來(圖1e),避免了傳統(tǒng)冷凍保護劑所引入的樣品定位難題(圖1d),從而大大縮短了樣品準備時間;通過優(yōu)化lift-out樣品減薄流程,在極大縮短樣品減薄時間的同時大幅度提升成功率;通過設(shè)計新型電鏡載網(wǎng)為薄片提供更好的機械支撐,最終可以獲得穩(wěn)定的較大薄區(qū)(圖1f, 1g)。此研究為組織等多細胞樣品的冷凍電鏡原位結(jié)構(gòu)研究提供了一種流程更簡單、耗時更短、成功率更高的新方案。

采用此方法,研究者對小鼠胰島進行冷凍電鏡原位結(jié)構(gòu)觀察,首次實現(xiàn)了β細胞胰島素晶體的原位分析(圖2)。研究者觀察到三種不同類型的囊泡,分別為棒狀晶體囊泡(圖2h),未成熟胰島素晶體囊泡(圖2i)以及成熟的胰島素晶體囊泡(圖2j),并對囊泡的數(shù)量與位置分布進行了統(tǒng)計(圖2a,2k)。分析結(jié)果表明,成熟的胰島素晶體囊泡占97%,且不同類型的胰島素囊泡分布無明顯特征。而此前使用單細胞體系研究發(fā)現(xiàn),不同成熟狀態(tài)的胰島素囊泡呈現(xiàn)有組織的空間分布,說明了組織等多細胞原位結(jié)構(gòu)研究的必要性。

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圖2. 胰島β細胞的原位結(jié)構(gòu)

通過對此流程所收集的數(shù)據(jù)進行了分析(圖3),研究者原位確定了胰島素的晶胞參數(shù)(圖3c—f)。其與體外觀察到的六方晶體的結(jié)構(gòu)差異則表明細胞內(nèi)生理條件對晶體堆積的潛在影響。

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圖3. 胰島素晶體原位晶胞參數(shù)測定

郭強為本文的通訊作者。郭強課題組博士生吳伊春、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院秦昌東博士、郭強課題組技術(shù)員杜文靜為本文的共同第一作者,北京大學(xué)陳良怡教授和郭振璽博士為該工作作出了重要貢獻。本工作中的樣品制備與數(shù)據(jù)收集在北京大學(xué)冷凍電鏡平臺完成,數(shù)據(jù)處理獲得了北京大學(xué)未名超算平臺的硬件和技術(shù)支持。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、生命科學(xué)學(xué)院、SLS-啟東創(chuàng)新基金、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室以及昌平實驗室的經(jīng)費支持。


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