低温电子显微镜揭示了膜微域如何响应机械应力

　　

细胞膜在维持细胞的完整性和功能方面起着至关重要的作用。然而，它们发挥这些作用的机制还没有被完全理解。日内瓦大学(UNIGE)的科学家与格勒诺布尔生物结构研究所(IBS)和弗里堡大学(UNIFR)合作，使用低温电子显微镜观察质膜上的脂质和蛋白质如何相互作用并对机械应力作出反应。这项工作表明，根据条件，小的膜区域可以稳定各种脂质，从而引发特定的细胞反应。这些发现发表在《自然》杂志上，证实了组织良好的脂质结构域的存在，并开始揭示它们在细胞存活中所起的作用。

细胞被一层膜——质膜——包围着，这层膜起着物理屏障的作用，但也必须具有延展性。这些特性是由膜的组成成分——脂质和蛋白质——赋予的，它们的分子结构根据外部环境而变化。这种动态对膜的功能至关重要，但必须保持良好的平衡，以确保膜既不太紧绷也不太松弛。细胞如何感知质膜生物物理特性的变化被认为涉及到膜上的微区域，即微结构域，它被认为具有特定的脂质和蛋白质含量和组织。

高分辨率低温电子显微镜

由UNIGE理学院分子和细胞生物学系的全职教授Robbie Loewith领导的团队对质膜的成分如何相互作用以确保膜的整体生物物理特性保持优化以促进细胞生长和存活感兴趣。

“到目前为止，现有的技术还不能让我们在膜内的自然环境中研究脂质。感谢日内瓦大学、洛桑大学、伯尔尼大学和EPFL的杜波切特成像中心(DCI)，我们能够通过使用冷冻电子显微镜来应对这一挑战，”罗比·洛伊思解释说。该技术允许将样品冷冻在-200°C，以使膜保持在其天然状态，然后可以在电子显微镜下观察。

科学家们使用了面包酵母(酿酒酵母)，这是一种被许多研究实验室使用的模式生物，因为它很容易生长和基因操作。更重要的是，它的大多数基本细胞过程反映了高等生物的过程。这项研究的重点是一个特定的膜微结构域支架的蛋白质外壳被称为eisosomes。这些结构被认为能够隔离或释放蛋白质和脂质，以帮助细胞抵抗和/或发出膜损伤的信号，其过程是以前未知的。“我们第一次成功地纯化和观察了天然状态下含有质膜脂的酶同体。这是我们了解它们如何运作的真正一步。”UNIGE理学院生物化学系博士后Markku Hakala说。

把机械信号转换成化学信号

利用低温电子显微镜，科学家们观察到这些微结构域的脂质组织在机械刺激下发生了改变。“我们发现，当异构体蛋白质晶格被拉伸时，微结构域中脂质的复杂排列被改变。脂质的这种重组可能使被隔离的信号分子得以释放，从而触发应激适应机制。我们的研究揭示了一种分子机制，通过这种机制，机械应力可以通过蛋白质-脂质相互作用以前所未有的细节转化为生化信号，”分子和细胞生物学系博士后研究员、该研究的第一作者Jennifer Kefauver兴奋地说。

这项工作为研究膜区隔化的原始作用开辟了许多新的途径-即膜内蛋白质和脂质的运动，形成称为微结构域的亚区室。这种机制使细胞能够执行特殊的生化功能，特别是激活细胞通信途径以响应它们可能暴露的各种应激。