PNAS：科学家利用连接体数据揭示了纤毛的秘密

通过重新检查用于绘制脑细胞之间连接图的3D图像，研究人员发现了一个小的、难以捉摸的、经常被忽视的细胞附属物的新信息。

我们身体中的许多细胞都有一根初级纤毛，这是一种微米长的毛发状细胞器，从细胞表面伸出来，传递细胞信号。纤毛对调节细胞过程很重要，但由于纤毛体积小、数量少，科学家很难用传统技术探索脑细胞中的纤毛，使其组织和功能不清楚。

在一系列新的工作中，HHMI的Janelia研究校园、艾伦研究所、德克萨斯大学西南医学中心和哈佛医学院的研究人员使用超高分辨率的3D电子显微镜对小鼠脑组织进行成像，这些图像用于创建连接体，以获得对初级纤毛的最佳观察。

他们的研究揭示了关于这些关键大脑区域纤毛的新见解，可以帮助科学家更好地了解它们的作用和对疾病的潜在贡献。

“重新利用这些大容量的电子显微镜数据集来研究细胞生物学，给了我们一个以前无法得到的观点，”利平科特-施瓦茨实验室的资深科学家卡罗琳·奥特说，她领导了这个项目。

揭示新的生物学

众所周知，纤毛很难研究。在脑细胞中，一根纤毛，只有几十微米长，从细胞表面延伸到其他细胞的混杂中。使用传统的显微镜方法来寻找和成像纤毛就像大海捞针一样，而且样本量往往太小，无法得出结论。研究人员已经从研究培养细胞中的分离纤毛中获得了一些知识，但是这些技术错过了细胞器在自然环境中如何表现的信息。

近年来，科学家们已经开发出新的方法来获得超高分辨率的组织3D图像，使研究人员能够详细地看到细胞的内部运作。这些方法统称为体积电子显微镜，或体积EM，它们使用电子显微镜对样品的薄层进行成像，然后将这些层缝合在一起，形成超高分辨率的3D图像。研究人员利用这项技术创建了连接体，提供了大脑中单个神经元及其连接的地图。

但是用于创建连接体的体积EM图像不仅仅显示神经元。它们提供了包括纤毛在内的组织中所有细胞和结构的纳米级视图。

“每次你研究这些大规模的数据集，你都会看到新的生物学，”Janelia高级小组组长Jennifer Lippincott-Schwartz说，她是Janelia 4D细胞生理学研究领域的负责人，也是新论文的高级作者。“由于这项新兴技术，我们还没有掌握很多生物学知识，但现在这些知识已经成为可能。”

调查纤毛

奥特已经研究纤毛近二十年了，当一位访客在实验室指出小鼠脑组织的3D图像中的纤毛时，他第一次对使用体积EM来研究细胞器的想法产生了兴趣。她被能够看到数十根纤毛纠缠在细胞和其他结构的网络中所吸引。

奥特说：“我只是着迷于在脑组织的背景下观察纤毛，看看它去了哪里，想想它外面是什么。”“通过批量EM，你会得到一种完全不同的背景。”

Ott开始深入研究来自Janelia、哈佛大学和艾伦研究所的3D EM图像，这些图像用于生成连接体。意识到他们可以在不同类型的细胞上看到不同类型的纤毛，一个由奥特和艾伦研究所的科学程序员拉塞尔·托雷斯共同领导的团队决定对小鼠视觉皮层细胞中的纤毛进行定量研究，大脑中负责视觉处理的区域。

结果是迄今为止对小鼠大脑这部分纤毛最详细和全面的描述，包括哪些细胞类型有或没有纤毛，不同细胞类型上纤毛的结构差异，以及纤毛在突触附近的位置，神经元之间的信号发生在突触附近。

奥特说，总之，这些发现提供了新的见解，并提出了关于这些差异和位置如何影响纤毛功能的新问题。

她说：“我们知道，涉及纤毛的疾病可能有不同的症状，更好地了解并非所有纤毛都是相同的，可以帮助我们理解为什么所有疾病的表型都不一样。”

研究纤毛发育

在听说了奥特在视觉皮层方面的工作后，德克萨斯大学西南分校的副教授Saikat Mukhopadhyay找到了她，想用体积EM数据来检查小鼠小脑颗粒细胞上的纤毛。

小脑颗粒细胞是小鼠大脑中最丰富的细胞类型。这些细胞在发育过程中含有纤毛，这有助于细胞检测控制增殖和分化的蛋白质。但成年颗粒细胞没有纤毛，这可能有助于这些成熟神经元停止生长和变化。自从Mukhopadhyay开始研究小脑发育以来，细胞为什么以及如何失去纤毛一直引起他的兴趣，但传统技术并没有提供发生的事情的清晰画面。

由Ott和Sandii Constable （Mukhopadhyay实验室的前博士后）领导的一个团队能够追踪小鼠小脑中发育组织的大量EM图像，这使他们能够看到不同发育阶段的细胞和纤毛。他们发现中间细胞上的许多纤毛是封闭和隐藏的，这确保了纤毛不会暴露在细胞表面，从而限制了它们检测导致增殖的蛋白质的能力。在成熟细胞中，纤毛被分解并完全消失。然而，中心粒，纤毛生长的结构，仍然停靠在这些成熟细胞的表面。

通过进一步的分析，研究小组发现，随着细胞成熟，维持纤毛的重要基因会关闭，这表明细胞通过停止维持纤毛所需蛋白质的合成来摆脱纤毛。细胞表面的中心粒含有一个防止纤毛再生的复盖物。

新的发现可以帮助科学家了解一种脑肿瘤，在这种肿瘤中，成熟的颗粒细胞异常地保留了对导致增殖的蛋白质有反应的纤毛，从而使肿瘤生长。了解肿瘤细胞出了什么问题可以帮助科学家更好地了解这种疾病。

Mukhopadhyay说，如果没有体积EM图像，这些发现是不可能的，它提供了颗粒细胞纤毛的前所未有的视图。Mukhopadhyay整个职业生涯都在研究纤毛，他说，与十年前相比，越来越多的研究人员开始关注纤毛的重要性。

“现在的前沿是：这是如何引起疾病的，我们能做些什么来治疗这些病人，”他说。