北大郭强课题组使用冷冻电子断层扫描技术对弓形虫速殖子增殖过程进行成像

刚地弓形虫（Toxoplasma gondii）是一种能在细胞内寄生生活的寄生虫，它能够感染包括人在内的几乎所有温血动物，引发弓形虫病。处于速殖子阶段的弓形虫在宿主细胞内进行无性繁殖，即：母体细胞的细胞核附近产生两个子代弓形虫，后者会逐渐发育为成熟的速殖子，而母体细胞的结构随之消失。弓形虫速殖子具有表皮下微管（SPMTs）和类锥体（conoid）等骨架结构，在维持细胞形态、运动和侵染宿主过程中发挥重要作用。先前的相关研究主要聚焦于弓形虫成熟速殖子及其骨架结构，描述了细胞骨架在成熟速殖子中的分布情况，并通过冷冻电镜分别解析了表皮下微管和类锥体纤维的精细结构，揭示了表皮下微管是由13根原丝组成的“句号”形状；而类锥体纤维是由9根原丝组成的“逗号”形状 (Sun et al., 2022)。而对弓形虫速殖子增殖过程的结构研究目前仍以荧光显微技术为主要手段，缺少更高分辨率的结构。该增殖过程区别于常见的细胞“一分为二”的有丝分裂方式，存在大量未知的细节值得去探索。

2023年2月25日，北京大学生命科学学院郭强课题组在Advanced Science发表了题为“Cryo-Electron Tomography of Toxoplasma gondii Indicates That the Conoid Fiber May Be Derived from Microtubules”的研究论文。该工作首次将冷冻电子断层成像技术应用于探究弓形虫速殖子的增殖过程，在纳米尺度下详细描述了子代弓形虫的三维原位结构，并在结构方面提供了类锥体可能起源自微管的证据。

该研究利用了冷冻电子断层成像（cryo-ET）并结合了聚焦离子束（FIB）技术，获得了成熟速殖子及其细胞核附近新生的子代弓形虫的原位结构。作者分别展示了纳米尺度下的成熟和子代速殖子顶部复合物的三维结构（图1 B和H），重点描述了细胞骨架相关结构的细节，发现子代速殖子在早期就已经具备完整的细胞骨架结构，印证了荧光显微技术的研究结果。通过对比，作者发现成熟与新生速殖子的细胞骨架在空间分布上存在差异，猜测这可能与子代速殖子发育过程中所处的环境与成熟速殖子不同有关。让人意外的是，研究者发现子代速殖子的类锥体纤维中同时存在“句号”形状和“逗号”形状这两种结构。这两种形状能够同时出现在同一根类锥体纤维上（图1 C），并且存在一段约10 nm长、由“句号”形状向“逗号”形状过渡的区域。进一步计算表明“句号”形状的类锥体纤维由13根原丝组成（图1 C），与微管一致；基于两者在结构上的相似性，且两者都主要由tubulin蛋白组成，推测类锥体纤维可能起始于微管，其在成熟过程中失去4根原丝，并逐渐转变为最终的“逗号”形状（图1 I）。该研究有助于我们更深入地理解类锥体的组装，以及弓形虫增殖时子细胞从产生到逐渐成熟的过程，为进一步探寻弓形虫及其他顶复门寄生虫控制药物提供支持。

图1 （A-C）来自弓形虫子代速殖子，（G-I）来自成熟速殖子。（A-B和G-H）为类锥体附近区域的结构。（C和I）为类锥体纤维不同位置的横截面。

北京大学生命科学学院、生命科学联合中心郭强研究员为该研究的通讯作者。课题组20级PTN项目博士研究生李智勋为该研究的第一作者，课题组技术员杜文静，以及中山大学伦照荣教授，赖德华副教授和杨炅同学为该工作做出了重要贡献。该工作中冷冻电镜样品制备和数据采集在北京大学冷冻电镜平台完成。数据处理获得了北京大学未名超算平台的硬件和技术支持。北京大学国家蛋白质科学中心的工作人员提供了技术支持。该研究得到了北京大学生命科学中心（CLS）、生命科学学院（SLS）、SLS-启东创新基金以及昌平实验室的经费支持。

参考文献：

Sun, S.Y., Segev-Zarko, L.-a., Chen, M., Pintilie, G.D., Schmid, M.F., Ludtke, S.J., Boothroyd, J.C., and Chiu, W. (2022). Cryo-ET of Toxoplasma parasites gives subnanometer insight into tubulin-based structures. Proceedings of the National Academy of Sciences 119, e2111661119.

研究组介绍

郭强：

北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心，研究员、博士生导师。

实验室研究领域：

我们是原位结构生物学实验室。关注“细胞建筑学”：各个亚细胞结构是如何搭建成一个具有完整生物学功能的细胞，以及“生物大分子社会学”：细胞内的细胞器、生物大分子之间的相互关系。
原位结构生物学是基于冷冻光电联用（CLEM）、冷冻电子断层扫描（cryo-ET）等技术的新兴结构生物学分支，是一种可以在细胞生理状态下，对生物大分子和亚细胞结构在分子分辨率（1 ~ 10 nm）水平进行原位的结构分析和功能研究的技术手段。我们主要研究方向包括：

1. 在纳米、亚纳米尺度对基础细胞生物学问题的研究。

2. 对包括神经退行性疾病在内的老龄化疾病致病机制的研究。

3. 适用于组织样品的高分辨原位结构生物学方法优化。