今日《自然》：20万个细胞，揭开细胞内部结构之谜

fsxjjv

在我们体内，形态各异的细胞构成了生命的基本单位。令人意外的是，这些看似千差万别的细胞，内在的组织方式有着惊人的一致性。今日，在《自然》杂志的一项最新研究中，来自艾伦细胞科学研究所的科学家就从20万个细胞中揭开了人类细胞内部组织的秘密。



在细胞生物学中，一个棘手的问题是：即便是同一类型的细胞，每个细胞看起来都不尽相同。因此，如何系统性研究这些细胞的内部组织模式，长期以来困扰着该领域的研究者。
“细胞的组织模式可以为我们提供其行为和身份信息，”领导这项研究的艾伦细胞科学研究所副主任Susanne Rafelski博士介绍道，“当我们试图理解健康与疾病状态下的细胞如何变化时，我们一直缺乏处理这种组织方式的严谨手段。也就是说我们还没有挖掘出这些信息。“
Rafelski博士表示，这项研究为生物学家提供了一个全新的路线图，使得他们能够以定量的方式去理解不同细胞的组织模式。
作为这项研究的基础，来自艾伦细胞科学研究所的研究团队创建了由超过20万个人诱导多能干细胞组成的高分辨率三维图像集合。通过添加荧光蛋白标签，研究团队标记出25个独立的细胞结构——其中包含了线粒体、溶酶体、中心粒等细胞器，也有组蛋白、肌动蛋白等重要的细胞成分。这样，在荧光显微镜下，就可以分别显示出不同细胞结构各自的分布情况。



▲荧光蛋白标记的25个细胞结构（图片来源：参考资料[1]）

这张庞大的细胞结构图谱为我们解答了一个看似简单，却困扰科学家许久的难题：不同细胞的内部组织是什么样的？
要理解这个问题难在哪里，我们可以做这样的类比。细胞就如同一间装有数百间小家具的房间，要掌握不同房间中大量家具组织方式的规律，复杂度是惊人的。而且，不同细胞的形态差异可以很大——既有球形，也有梨形、长条形的细胞。那么，如何比较某个结构在不同形态细胞中的位置？
在最新研究中，作者通过计算分析，开发出一套“形态空间”坐标来描述不同干细胞的形态。这个坐标包含了8个描述形态差异的维度，包括细胞的高度、体积、倾角、延伸率、梨形程度等。



▲研究通过一套多维度坐标来描述不同细胞的形态（图片来源：参考资料[1]）

这样，研究团队可以定量分析每一个细胞中25个重要细胞结构的位置，并且以三维可视化的形式，绘制了这些结构在细胞中平均的分布模式。对比各个细胞与这个平均化的细胞的组织形式，研究指出：尽管细胞形态差异很大，但内部结构却惊人地一致。



▲包含了17种细胞结构的平均化细胞组织模式（图片来源：艾伦细胞科学研究所）

还是以房间为例，这就相当于每个人在布置自己的房间时，尽管房间的大小、形状各不相同，但所有人都将办公桌放在了房间中心，将文件柜放在房间最左边的角落。
这时，一旦我们看到一间房间的文件柜倒在了地上、文件散落在各处，那么房间主人很可能是遇到了一些情况——或者是在准备搬走，或者是被一只猫“袭击”了。
同样，如果在细胞中看到细胞结构的组织形式出现了偏差，研究者也可以追踪、获取该细胞的重要信息。例如，这枚细胞可能处于从静止到运动的过渡状态，或者是正在进行有丝分裂，又或者遭遇了疾病。在这项研究中，作者就进一步揭示了有丝分裂状态下的细胞内部组织的变化。
艾伦脑科学研究所执行主任Ru Gunawardane博士表示：“我们从头开始构建了这些测量、比较不同细胞组织方式的指标。真正令我感到兴奋的是，我们与同行可以基于这些研究结果，来解答那些人们不曾询问的细胞生物学难题。”

参考资料：
[1] Matheus P. Viana et al. Integrated intracellular organization and its variations in human iPS cells. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05563-7
[2] The interior design of our cells: Database of 200,000 cell images yields new mathematical framework to understand our cellular building blocks. Retrieved January 4th, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/975480▎药明康德内容团队编辑
本文来自药明康德内容团队，欢迎转发，谢绝转载到其他平台。
免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
喜欢我们的内容，欢迎关注@药明康德，或者点赞、评论、分享给其他读者吧！

永远丶并不远

今天老板一大早就在说这篇文章。更新的够快的。

邓尔岚

你们老板真好，有个啥也不懂的老板要给他讲明白真难