J Cell Biol｜施曉宇團(tuán)隊(duì)發(fā)布全景膨脹顯微術(shù)（land-ExM）：細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的“光學(xué)平替”

我們要理解細(xì)胞的運(yùn)作，不僅需要知道 “ 細(xì)胞器在哪里 ” （定位），更需要看清 “ 細(xì)胞器在誰(shuí)旁邊 ” （空間關(guān)系）。長(zhǎng)期以來(lái)，揭示細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)（ Ultrastructure ）的重任主要由電子顯微鏡（電鏡 EM ）承擔(dān)。電鏡以超越納米的分辨率全景式展現(xiàn)然相分離與膜性細(xì)胞器的空間位置。然兒，電鏡設(shè)備昂貴，通量低，且多色特異性標(biāo)記難度大，使很多生物實(shí)驗(yàn)室難以嘗試 。

近日，加州大學(xué)歐文分校（ UC Irvine ） 施曉宇 團(tuán)隊(duì) 博士生莊茵茵等 在 Journal of Cell Biology 發(fā)表了題為 Landscape expansion microscopy reveals interactions between membrane and phase-separated organelles 的研究論文。該研究開(kāi)發(fā)了一種名為全景膨脹顯微術(shù)（land-ExM）的新技術(shù)。通過(guò)引入獨(dú)特的三功能錨定劑（ trifunctional anchor ），land-ExM能夠利用常規(guī)共聚焦顯微鏡，同時(shí)對(duì)細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)膜和蛋白質(zhì)進(jìn)行高信噪比、超分辨率成像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的“光學(xué)平替”，并揭示了核隧道（ Nuclear Tunnel ）中相分離的應(yīng)激顆粒（ stress granule ）與膜性細(xì)胞器內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）的新互作模式。

在細(xì)胞生物學(xué)中，蛋白質(zhì)并不是孤立存在的，它們往往與其周圍的膜性結(jié)構(gòu)（如細(xì)胞器膜）或無(wú)膜結(jié)構(gòu)（如相分離凝集物）緊密協(xié)作。為了解析這些精細(xì)的相互作用，研究人員往往需要依賴 電子顯微鏡（ EM ）或光電聯(lián)合成像（ CLEM ） 。但電鏡的普及度低、通量有限，且缺乏光鏡那樣靈活的分子特異性標(biāo)記能力 。

通過(guò)將生物樣品物理放大，使得普通光鏡也能通過(guò) “ 把細(xì)胞撐大 ” 來(lái)看清納米級(jí)細(xì)節(jié)，被視為電鏡的有力挑戰(zhàn)者。然而，現(xiàn)有的 ExM 技術(shù)往往面臨 “ 魚(yú)和熊掌不可兼得 ” 的困境：要么只能看清蛋白質(zhì)，丟失了脂質(zhì)膜信息；要么在保留脂質(zhì)時(shí)，背景噪音過(guò)大或蛋白信號(hào)丟失。如何在一個(gè)樣品中，同時(shí)、高保真、高對(duì)比度地成像 “ 膜 ” 與 “ 蛋白 ” ，是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞 “ 全景成像 ” 的關(guān)鍵瓶頸 。

land- ExM 的核心突破在于施曉宇團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種小分子的 三功能錨定劑（ Trifunctional Anchor ） 這個(gè)精巧的分子就像一個(gè)強(qiáng)力的 “ 分子抓手 ” ，將蛋白質(zhì)，脂質(zhì)膜探針， 以及免疫熒光抗體，一起共價(jià)鍵固定在可以膨脹的水凝膠上。這個(gè)方法一舉解決了普通膨脹纖維技術(shù)（ ExM ）信號(hào)損失和信噪比低的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的 ExM 蛋白標(biāo)記方法（如 NHS-488 或 SYPRO Orange ）相比， land-ExM 的蛋白圖像信噪比分別提高了 8 倍和 30 倍 。更重要的是，這種策略使得脂質(zhì)雙分子層和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)能在同一張圖上清晰呈現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了 “ 全景（ Landscape ） ” 成像 。

land- ExM 的核新技術(shù)具有極強(qiáng)的通用性。研究團(tuán)隊(duì)展示了該技術(shù)可以無(wú)縫整合到現(xiàn)有的高倍率膨脹體系中 ： land- TREx (7 倍膨脹 ) ： 結(jié)合 TREx 技術(shù)，進(jìn)一步提升分辨率。 land- TREx 的蛋白通道信噪比提高了 5 倍，脂質(zhì)通道提高了 2 倍 。 land-pan- ExM (12-20 倍膨脹 ) ： 結(jié)合 pan- ExM 技術(shù)，在極高放大倍率下， land- ExM 依然能顯著提升蛋白和脂質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度（分別提升 2 倍和 3 倍） 。 兼容免疫熒光： 在全景成像的基礎(chǔ)上，研究者還可以疊加抗體染色，精確定位特定的細(xì)胞器或蛋白復(fù)合體 。

這意味著，實(shí)驗(yàn)室無(wú)需購(gòu)買昂貴的電鏡，利用現(xiàn)有的共聚焦顯微鏡和 land-ExM 試劑盒，就能以低廉的成本獲得接近電鏡級(jí)別的細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)圖像 —— 這正是電鏡的 “ 光學(xué)平替 ” 的最好注腳 。

為了展示 land- ExM 在解析復(fù)雜細(xì)胞器互作中的威力，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了細(xì)胞核內(nèi)一種深陷的膜結(jié)構(gòu) —— 核隧道（ Nuclear Tunnel ） 。

利用 land-ExM 的三維全景成像能力，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，在氧化應(yīng)激條件下， 應(yīng)激顆粒（ Stress Granules ） 并不像教科書(shū)上常說(shuō)的那樣只待在細(xì)胞質(zhì)中，而是會(huì) “ 鉆 ” 進(jìn)核隧道里。更令人興奮的是，這些位于核隧道內(nèi)的應(yīng)激顆粒，與細(xì)胞核內(nèi)的 核仁（ Nucleolus ）發(fā)生了直接接觸，形成了一個(gè)獨(dú)特的 “ 應(yīng)激顆粒 — 核隧道 — 核仁 ” 三重細(xì)胞器接觸位點(diǎn)（ Triple-organellar contact site ） 。

統(tǒng)計(jì)顯示， 細(xì)胞 在 應(yīng)激 狀態(tài)下， 83% 的核隧道中含有應(yīng)激顆粒，其中又有 60% 直接與核仁接觸。這一發(fā)現(xiàn)暗示核隧道可能充當(dāng)了一個(gè)特殊的 “ 微環(huán)境 ” ，協(xié)助細(xì)胞在壓力下協(xié)調(diào) 減慢 mRNA 的翻譯 和蛋白質(zhì)合成 。如果沒(méi)有 land-ExM 提供的脂質(zhì)（核隧道膜）與蛋白（應(yīng)激顆粒與核仁）的雙重高分辨率視野，這種被膜結(jié)構(gòu)包裹的精細(xì)互作很難被傳統(tǒng)手段捕捉 。

land- ExM 的出現(xiàn)雖然被稱為細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的 “ 光學(xué)平替 ” ，但它并非要（也無(wú)法）在所有維度上完全取代電子顯微鏡（ EM ）。作為一種新興的光學(xué)手段，它與老牌的 EM 各有千秋 。 為了幫科研用戶避坑，我們整理了以下 選型指南 ：

1. l and-ExM 好在哪？

• 多色特異性（分子身份識(shí)別）： 這是光鏡的傳統(tǒng)藝能。 EM 看到的往往是黑白的電子密度，難以分辨 “ 誰(shuí)是誰(shuí) ” ；而 land-ExM 可以在保留超微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過(guò)抗體疊加多色熒光，精準(zhǔn)定位分子在 3D 結(jié)構(gòu)中的位置 。

• 便宜大碗（門檻低）： 相比動(dòng)輒上千萬(wàn)的電鏡設(shè)備及其 專業(yè) 維護(hù) 的需求 ， land-ExM 只需要常規(guī)的共聚焦顯微鏡甚至最普通的寬場(chǎng)熒光顯微鏡。對(duì)于沒(méi)有專屬電鏡平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室，這是實(shí)現(xiàn)超微觀察的經(jīng)濟(jì)選擇 。

• 3D 成像與高通量： 電鏡要做三維重構(gòu)（如 FIB-SEM ）非常耗時(shí)。 Land-ExM 結(jié)合層掃顯微鏡，可以更快速地獲取完整的 3D 細(xì)胞全景，適合進(jìn)行多細(xì)胞的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和項(xiàng)目前期探索 。

2. l and-ExM 差在哪？

• 極致分辨率的 “ 最后十納米 ” ： 雖然 land- ExM 結(jié)合 TREx 或 pan- ExM 可以將分辨率推到 12-35nm 級(jí)別，但相比 EM （ <1-2nm ）仍有差距。例如，如果你需要看清 核膜的雙層結(jié)構(gòu) ，目前的 Land-ExM 還做不到，依然需要 EM 來(lái) “ 一錘定音 ” 。

• 化學(xué)固定的原罪： Land-ExM 目前主要依賴化學(xué)固定，相比冷凍電鏡（ Cryo-EM ）的物理冷凍固定，在亞微米尺度上仍可能存在微小的結(jié)構(gòu)畸變 。

施曉宇團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的 land- ExM 技術(shù)，通過(guò)巧妙的化學(xué)標(biāo)記策略，攻克了膨脹顯微術(shù)中脂質(zhì)與蛋白難以兼顧的難題。它以 高信噪比、超高分辨率、低成本 的優(yōu)勢(shì)，為細(xì)胞生物學(xué)家提供了一種低門檻電鏡級(jí)別成像工具。無(wú)論是解析膜性細(xì)胞器（如線粒體、高爾基體）的精細(xì)形態(tài)，還是探索相分離結(jié)構(gòu)（如核仁、應(yīng)激顆粒）的空間分布， land-ExM 都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景 。

正如論文所言， land-ExM 讓 “ 看清細(xì)胞的分子全景 ” 變得觸手可及，這將加速我們對(duì)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜互作網(wǎng)絡(luò)的理解 。

原文鏈接：https://doi.org/10.1083/jcb.202502035

制版人：十一

參考文獻(xiàn)

1. Zhuang, Y., Zhang, Z., Dai, Z., & Shi, X. (2026). Landscape expansion microscopy reveals interactions between membrane and phase-separated organelles.Journal of Cell Biology,225(4), e202502035.

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