前沿进展 | STORM技术观测光合细胞分裂过程中FtsZ环的三维超分辨率结构

宁波力显智能科技有限公司

2022/07/14 10:02

“ 高自身荧光背景的干扰，在光合细胞中一直尚未实现横向分辨率优于100nm的超分辨率图像。本文作者开发了一种光漂白的方法，以有效地降低蓝藻和植物细胞的自身荧光并利用STORM技术在球形蓝藻原绿球菌和开花植物拟南芥中获得了~10nm的横向分辨率。在原绿球菌的细胞周期过程中，作者进行了细胞分裂蛋白FtsZ的3D组织表征，它在分裂位点形成环状结构，对细菌和叶绿体的胞质分裂具有重要作用。”

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FtsZ蛋白的三维结构

1、FtsZ蛋白的相关研究进展

FtsZ是一种高度保守的微管蛋白GTPase，是细菌和叶绿体分裂所必需的。FtsZ单体聚合成原丝，在体内的分裂位点形成一个环状结构，称为Z环。Z环在胞质分裂过程中的功能仍存在高度争议。虽然FtsZ环的组装过程已被广泛研究，但在梭形细菌中的研究却很少。

虽然有证据表明，细胞分裂过程中Z环的收缩为胞质分裂提供了收缩力，但最近的证据表明，Z环可能主要作为细胞骨架支架，招募其他蛋白质用于间隔细胞壁的合成。针对Z环的体内组织结构，已经提出了两种主要的模型。斑片带模型提出FtsZ原丝没有很强的横向相互作用，在细胞中部组装成不连续的带。另一方面，横向相互作用模型提出FtsZ原丝相互作用形成一个连续的环或螺旋。对杆状细菌新月形锥杆菌和大肠杆菌的三维(3D)PALM研究支持了斑片状带模型。杆状体只能在细胞中间的上组装Z环，而球形细菌（球菌）可以在无限个理论分裂平面上组装Z环，它们的Z环也比杆状体大。因此，球菌的Z环组织可能与杆不同。对金黄色葡萄球菌的3D SIM研究是迄今为止唯一对球形细菌Z环进行的唯一超分辨率研究。然而，由于其分辨率低，未能最终证明斑片状带或横向相互作用模型。

本文作者对原绿球菌的研究结果也显示，在细胞分裂过程中，FtsZ簇组装成不完整的环，然后形成完整的环。与杆状细菌不同，在原绿球菌细胞分裂时没有减小。

2、FtsZ蛋白的四种Z环形态

图1. 在原绿球菌的细胞周期中发现了4种Z环形态

在不同的细胞周期阶段，保存原绿球菌MED4细胞，光漂白以减少自身荧光，并用抗Ftsz抗体进行免疫染色。这种免疫染色方法已被常规用于超分辨率成像研究，并显示了与荧光FtsZ融合蛋白相似的Z环形态。采用3D STORM技术对257个细胞的体内FtsZ组织进行成像，x-y平面空间分辨率为9.6nm，z轴为41.6nm。在257个成像细胞中，26.8%没有显示出任何明显的环状结构，但它们含有FtsZ蛋白或原丝簇(图1-A）。60%的细胞含有一个不完整的环(图1-B)。其中10.1%包含一个完整的环(图1-C）。与新月球菌的Z环相似，原绿球菌的完整Z环中有很多小间隙。这与体内Z环组织的斑片状带模型一致。这些间隙不太可能是由抗Ftsz抗体的免疫染色不均匀造成的，尽管我们不能排除它们是由光漂白引起的损伤引起的可能性。

在作者的STORM图像中，3.1%的细胞含有双Z环(图1-D），这些细胞似乎被拉长了。总的来说，作者根据3D STORM图像对四种不同的Z环形态进行了分类：星团、不完整环、完整环和双环，这些都在常规荧光显微镜下观察为斑点或条状。

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FtsZ蛋白形态对细胞周期的影响

图3. 双Z环的STORM图像

在作者的STORM图像中，含有双Z环的这些细胞似乎被拉长了。在杆状细菌大肠杆菌中，两个子细胞的Z环有时在母细胞的最后收缩阶段形成，它们与母体Z环平行。此外，复制的染色体被分离，位于子细胞未来分裂位点附近，表明这些分裂位点在母细胞完全分裂为之前是活跃的。在球形蓝藻聚孢囊藻中也发现了子Z环,在分裂前母细胞中间浓缩成一个亮点。STORM成像首次显示了这种双z环形态的超分辨率结构。在所有含有双Z环的细胞中，子Z环总是垂直于母Z环，这与球形细菌中子Z环的方向一致。

其次，STORM成像数据集使作者能够定量分析原绿球菌细胞周期中不同Z环形态的变化。在S期细胞分裂前，主要形态为不完整的环，其次是团簇，而没有观察到完整的环和双环。在G2/M期进入细胞分裂时，不完全环显著减少，而团簇略有增加。同时，开始出现完整的环和双环。这与G2/M期细胞百分比的峰值相一致。

图4. Z环直径作为细胞周期的函数统计分析

从S期到G2/M期，含有完整环或双环的细胞增加26%，含有不完整环的细胞减少28%，说明在细胞分裂过程中，不完整环转化为完全环和双环。G1期细胞分裂后，完整的环完全消失，只观察到一个细胞含有双环.相比之下，团簇成为了主要的Z环形态，表明细胞分裂后转化为FtsZ簇。

作者根据原绿球菌细胞周期中不同Z环形态的变化，提出一个球形细菌的Z环组装模型，如图5所示。

图4. 原绿球菌细胞周期中Z环组装的模型

这篇文献中创新对光合细胞提供了一种简单而稳定的三维超分辨率成像方法，为光合细胞的相关研究提供了另一种研究手段。我们将跟踪各种超分辨率成像方法的最近进展，在后续的文章中为大家进行持续更新。宁波力显智能科技有限公司(INVIEW)现已发布超高分辨率显微系统iSTORM，采用3D随机光学重构技术、高精度细胞实时锁定技术、多通道同时成像技术等，以纳米级观测精度、高稳定性、广泛环境适用、快速成像、简易操作等优异特性，获得了超过50家科研小组和100多位科研人员的高度认可。

参考文献：

1. Liu, Riyue, et al. "Three-dimensional superresolution imaging of the FtsZ ring during cell division of the cyanobacterium Prochlorococcus." MBio 8.6 (2017): e00657-17.

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