【学术前沿】JMCB | 韩华课题组揭示肝脏细胞中内质网与细胞器纳米分辨率三维互作全景图

以下文章来源于JMCB科学前沿 ,作者韩华课题组

JMCB科学前沿

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在真核生物中,内质网(endoplasmic reticulum, ER)是一个连续而复杂的膜网络,由池状和管状形式相互连接而成(图1)。内质网的多形态结构与其多种功能密切相关,包括脂质稳态、药物代谢、钙水平调节和细胞器分裂等。通过对内质网三维全景成像,不仅能清晰地观察其形态结构,还能研究细胞器的定位及其相互作用,从而可以“眼见为实”地实现内质网和细胞器三维互作微观全景图。

图1. 内质网三维模型

然而,三维全景成像难以通过传统的形态学技术来实现,如石蜡、树脂半薄切片虽然可以做到连续观察,但缺乏足够的分辨力,而超薄切片虽然可以有比较高的分辨力,却难以做到连续观察。随着电子显微镜在生命科学领域的深入应用,大规模精细微观结构的电镜成像解析成为探究生物结构的重要手段【1, 2, 3】。扫描电镜三维成像(3-dimensional electron microscopy,3D-EM)技术是将扫描电子显微镜技术与计算机图像处理技术结合,利用大量的二维结构照片进行自动化或半自动数据拼接拟合,最终获得高分辨三维图像的技术。该技术使得电镜在生物学中的应用已不仅停留在单纯直观的描述阶段,而是进入由定性到定量、由平面到空间的立体研究阶段。

近日,中科院自动化研究所韩华课题组在Journal of Molecular Cell Biology(JMCB)发表了题为“Three-dimensional ATUM-SEM reconstruction and analysis of hepatic endoplasmic reticulum—organelle interactions”的研究成果,利用扫描电镜三维成像技术和深度学习算法系统分析了肝脏细胞中内质网与其他细胞器的形态和相互作用,为肝脏的生化和功能研究提供了重要的结构信息。

本研究以小鼠肝脏为模型,前期依托于中科院自动化研究所显微分析技术中心,通过小鼠解剖取样、电镜制样、以及电子显微镜高通量成像,作者获得了小鼠肝脏组织的序列纳米分辨率图像数据。由于采用了自动带式超薄切片机-扫描电子显微镜(automated tape-collecting ultramicrotome scanning electron microscopy, ATUM-SEM),采集到的序列图像需要通过精准的序列图像配准技术处理进而来获得三维体块数据。依据此三维体块数据,作者设计了一个适用于多细胞器(内质网、线粒体、脂滴、溶酶体、过氧化物酶体和细胞核)的图像分割网络,高效高精度地提取序列图像中各种细胞器的有效区域,进而在三维体块数据中重建了内质网及其他细胞器的精细三维结构,产生一个映射于肝脏组织块的三维模型(图2)。

图2. 基于ATUM-SEM技术和深度学习算法开发的肝脏细胞内质网及其他细胞器三维重建和分析流程

依据三维模型,作者对内质网及其他细胞器做了形态学分析,包括细胞器的结构、细胞器的体表面积之比、细胞器的分布等。通过一系列的分析,作者发现肝脏细胞中内质网主要呈扁平的池状,并在细胞内与其他细胞器紧密结合,同时数据证实内质网比其他细胞器具有更小的体积-膜表面积比,这表明内质网的功能可能需要较大的膜表面积。针对在生物学上存在重要意义的膜接触位点(Membrane contact sites, MCSs)【4, 5】,作者系统性地分析了内质网与其他细胞器间的相互作用关系,发现在肝脏细胞中内质网与线粒体的接触极其丰富,尤其是与有分支的线粒体接触,这表明内质网可能对线粒体的分裂起到重要作用(图3)。

图3. 小鼠肝脏组织的三维体块

和各种细胞器的三维结构

小结

作者以小鼠的肝脏细胞为模型,通过组织学、电子显微镜和人工智能等技术手段,首次在大体量数据下高效高精度地获得了肝脏细胞中的内质网、线粒体、脂滴等细胞器的精细三维结构。同时,作者系统性地分析了各种细胞器的形态以及内质网与其他细胞器之间的膜接触位点。发现肝脏细胞中内质网主要呈扁平的池状,并在细胞内与其他细胞器紧密结合。此外,内质网比其他细胞器具有更小的体积-膜表面积比,这表明内质网的功能可能需要较大的膜表面积。精细的三维结构数据还表明内质网与线粒体的接触极其丰富,尤其是与有分支的线粒体接触。本研究提供了肝脏细胞中各种细胞器的精细三维结构,为肝脏的生化和功能研究提供了重要的基础信息。

参考文献:

1. Denk, W. and Horstmann, H. (2004). Serial block-face scanning electron microscopy to reconstruct three-dimensional tissue nanostructure. PLoS Biol.

2. Knott, G., Marchman, H., Wall, D., et al. (2008). Serial section scanning electron microscopy of adult brain tissue using focused ion beam milling. J. Neurosci.

3. Briggman, K. L., and Bock, D. D. (2012). Volume electron microscopy for neuronal circuit reconstruction. Curr. Opin. Neurobiol.

4. Levine, T. and Loewen, C. (2006). Inter-organelle membrane contact sites: through a glass, darkly. Curr. Opin. Cell Biol.

5. Helle, S.C., Kanfer, G., Kolar, K., et al. (2013). Organization and function of membrane contact sites. Biochim. Biophys. Acta. Mol. Cell Res.

作者简介

韩华,中科院自动化研究所研究员,博士生导师。中国科学院自动化研究所显微分析技术平台主任,中国科学院十三五科教基础设施-脑智交叉平台总工程师,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心骨干人才。韩华课题组主要聚焦于微观尺度脑连接图谱新技术研究,致力于海量电镜图像的高通量采集、实时处理、三维重建和智能分析等,基于脑连接图谱大数据对真实神经网络机制进行建模和阐释,为国家脑科学和类脑智能研究提供突触水平神经重建所需的技术服务、解决方案和共享平台。韩华课题组是目前国内能够提供脑微观图谱全流程分析技术的成建制团队,合作成果发表于Science, Nature Communications, Nano Research, IJCAI, ISBI等。

韩华课题组博士生江熠和副研究员李琳琳为本篇文章的共同第一作者,韩华研究员为本文章的通讯作者。该工作受到国家自然科学基金委、中国科学院战略先导和北京市科委项目的经费资助。

关于JMCB

Journal of Molecular Cell Biology (JMCB) 创刊于2009年10月,由中国科学院主管,由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)和中国细胞生物学学会共同主办,与牛津大学出版社 (Oxford University Press,OUP) 合作出版,为完全开放获取期刊,聚焦分子细胞生物学前沿进展及相关多学科交叉研究,2020年度影响因子为6.216,5年影响因子为6.688。

来源:JMCB科学前沿

原标题:《【学术前沿】JMCB | 韩华课题组揭示肝脏细胞中内质网与细胞器纳米分辨率三维互作全景图》