过氧化物酶：X射线显微成像的“GFP” 学术资讯

来源：知社学术圈

有了GFP标签，荧光显微镜大展神威

有了APEX2标签的X射线显微镜，又会怎样？

从列文虎克到钱永健再到斯蒂芬·黑尔，从第一台光学显微镜到荧光显微镜再到最新的超分辨率荧光显微镜，显微成像技术的发展始终伴随着生物学研究的发展。

与可见光相比，X射线的波长很短，因此，基于同步辐射的X射线显微镜具有内禀的高分辨和强穿透能力，可以对完整细胞进行纳米分辨成像。然而，由于缺乏高特异性生物探针，现有的X射线显微成像多依赖于外源探针，步骤较多且容易带来误差。因此，寻找“X射线显微镜的GFP”是迫切需求（GFP即绿色荧光蛋白，是由钱永健等人发展的荧光成像遗传编码探针）。

针对这一挑战，上海交通大学教授樊春海和上海光源科学中心研究员诸颖、胡钧、王丽华组建了联合团队，经过多年的合作研究，发展了一种X射线遗传编码探针，成功在同步辐射X射线显微镜上实现了对细胞内特定蛋白质的内源标记和原位纳米分辨成像。相关论文“Genetically encoded X-ray cellular imaging for nanoscale protein localization”在《国家科学评论》（National Science Review）发表。

研究者将经过基因改造的过氧化物酶（APEX2）用作X射线遗传编码探针。在哺乳动物细胞中，带有APEX2标签的特定蛋白质表达后，APEX2可以原位催化DAB单体形成X射线显微镜下可见的聚合物，从而实现成像。

APEX2标签的X射线成像原理
使用新探针APEX2，研究者能够以25-30 nm的超高空间分辨率观察到细胞内多种蛋白质分子和亚细胞结构（见标题图）。对细胞内微管纤维的成像结果显示，其成像能力优于EGFP标记的荧光共聚焦显微镜（见下图），二者的半峰全宽（FWHM）分别约为20-30 nm和超过200 nm。

X射线标签具有优越的光稳定性，可以长时间观察细胞内和细胞间发生的分子事件。而利用X射线的高能量分辨性质，还可以实现对细胞内多种蛋白质的同时观测。基于这些优点，研究者对肿瘤细胞DNA甲基化和细胞间连接之间的关系进行了成像研究。从下图可以看出，随着DNA甲基化的进行和解除，在X射线显微镜下可清晰观察到由间隙连接蛋白Cx43形成的细胞间连接也消失和再现。

美国加州大学洛杉矶分校教授Zhen Gu在《国家科学评论》以“ Toward nanoscopic cellular imaging by X-ray”为题撰写了亮点评论。他认为这项研究建立了一个高通用性的同步辐射细胞显微成像平台，并为该团队参与的同步辐射神经科学SYNAPSE国际计划（Synchrotron for Neuroscience-an Asia Pacific Strategic Enterprise）提供了神经网络甚至脑成像的利器。

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