【摘要】：細胞膜是細胞最重要的結構成分,在維持細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)和多種生理功能中均起到重要作用,而細胞膜的某些生理功能的發(fā)揮離不開細胞表面的一些特殊結構,如微絨毛,它在營養(yǎng)物質吸收、免疫調節(jié)、信號傳導等活動中起到重要作用。由于傳統(tǒng)技術的限制,生理條件下,納米尺度上微絨毛結構的變化與吸收功能的關系還沒有直接的證實。微絲不但對微絨毛結構起到支撐作用,還是細胞結構的重要成分,參與細胞形貌的維持、細胞粘附、細胞運動等生理功能,而近生理條件下,微絨毛和微絲在細胞中的空間分布特點還存在許多問題尚待探討。此外,微絲參與機械力引起的多種生理活動,然而微絲是否參與相鄰細胞間自噬信號的傳遞還不清楚。原子力顯微鏡(AFM)在細胞生物學研究中具有特殊優(yōu)勢,可以生理條件下對多種生物樣品進行高分辨成像的同時獲得樣品的理化性質,已經應用于從單分子、細胞到組織樣品的研究中。本文針對以上問題,利用AFM的高分辨成像,以及精準控制力優(yōu)勢,結合熒光顯微鏡的成像特點,在活細胞水平上,觀察了微絨毛和微絨毛簇的動態(tài)變化;近生理條件下,納米尺度上,研究了微絨毛結構的變化與吸收功能的關系,以及微絲和微絨毛的空間分布特點;此外,還初步探究了微絲在機械力引起的相連細胞間自噬信號傳遞中的重要作用。主要內容如下:第一,通過AFM的高分辨成像,在納米尺度上,觀察到細胞表面的微絨毛結構,獲得單根微絨毛的尺寸及形貌特征。對活細胞進行連續(xù)原位成像,研究了細胞表面兩種亞型的單根微絨毛及微絨毛簇的動態(tài)變化,發(fā)現(xiàn)了單根微絨毛的生長周期和微絨毛簇的解聚和聚合的現(xiàn)象。此外,對饑餓狀態(tài)下,微絨毛結構的變化與葡聚糖吸收的直接相關性進行了研究,發(fā)現(xiàn)了微絨毛結構是動態(tài)可逆的變化。第二,基于AFM精準控制力的特點,探究了細胞膜外微絨毛及細胞膜內側微絲的分布。在基本不破壞細胞結構的情況下,研究了微絨毛及微絲結構在細胞中的兩層分布:細胞膜表面為微絲構成的單根和聚集成簇的微絨毛結構以及在這層下面是由粗細不同的微絲構成的致密網(wǎng)格結構。此外,通過AFM高分辨成像還獲得了的單根微絲的形貌和細胞內致密微絲網(wǎng)格結構的特點。第三、利用AFM精準控制力的優(yōu)勢,還初步探究了微絲在自噬信號傳遞中的作用。通過AFM的針尖刺激細胞,研究了納米機械力對細胞自噬水平的影響,發(fā)現(xiàn)了機械力引起的細胞自噬能傳遞給相連細胞,并且這種傳遞在同種或不同種細胞間均會發(fā)生。最后,通過構建N2a細胞的間隙連接,探究了間隙連接在相鄰細胞間自噬傳遞中的作用。以上研究工作展示了AFM在研究活細胞的動態(tài)過程和細胞內微絲的空間分布中的優(yōu)勢,以及微絲在力信號傳遞中的功能。文章最后對以上工作進行了總結和展望。
【圖文】：

可以提高人們對生命奧秘和人類相關疾病的理解。通過對細胞表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)細胞表面不是光滑的而是粗糙的，細胞表面雜亂分布著多種形貌的結構成分（圖1.1a），有些類似囊泡結構，有些柱狀體結構。細胞表面的這些復雜成分，使得普通方法很難區(qū)分細胞表面的結構和組分。目前，已經認識到細胞膜上存在一些特殊的結構成分，如糖類、蛋白質、脂筏等，此外細胞表面還有一些特化的器官，如微絨毛、纖毛、片狀偽足等（圖1.1 b）[50-52]，這些結構在生理上具有一定的功能，如物質的吸收、信號傳遞、抗原呈遞

脂質、40％蛋白質、2％-10％糖類、少量水、無機鹽和金屬離子等[63]（圖1.2a）。磷脂、膽固醇和糖脂構成膜脂質的主要部分。細胞膜表面的復雜成分，對細胞表面的研究帶來了許多困難，因為這些結構較小，又很難分離和去除，甚至有些結構大小類似，因此細胞膜結構的研究還存在許多不足。此外，細胞膜內側的細胞器、以及細胞骨架等結構成分，對細胞膜的支撐也起到重要的作用[64]（圖1.2b）。細胞中的結構成分（微絲、微管、內質網(wǎng)等）與細胞膜相互作用，能形成高度有序復雜的代謝網(wǎng)絡，，這些結構對于維持細胞的活性和生理功能十分重要。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海應用物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：Q241

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