《Anatomical Science International》：Unraveling dynamics of nuclear pore and chromatin via HS-AFM
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本文綜述高速原子力顯微鏡（HS-AFM）在解析核孔復合體（NPCs）與染色質動態互作中的關鍵作用，涵蓋 NPCs 結構功能、與基因組守護者的相互作用、在疾�。ㄈ绨┌Y、病毒感染）中的動態異常，以及 HS-AFM 技術的未來發展方向。
高速原子力顯微鏡（HS-AFM）技術革新與生物醫學應用
原子力顯微鏡（AFM）自真空環境應用起源，憑借納米級分辨率及無需染色、可在液體環境成像的特性，成為生物樣本表面結構研究的重要工具。傳統 AFM 成像速度較慢（約 30 秒 / 幀），難以捕捉動態生物過程，而高速原子力顯微鏡（HS-AFM）通過采用小而快的低剛度懸臂、精密激光檢測及高速反饋系統，將時間分辨率提升至毫秒級（最快 100 毫秒 / 幀），可實時觀察生物分子動態行為，且對樣本損傷極小。
HS-AFM 在生物醫學領域應用廣泛，可研究跨膜蛋白與細胞膜的實時相互作用、細胞骨架結構動態、核酸與結合蛋白的作用機制，甚至能觀察病毒蛋白對接、細胞凋亡過程中核孔復合體（NPCs）的結構變化等。與傳統成像技術相比，HS-AFM 無需固定樣本，能在近生理條件下提供動態信息，彌補了透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等技術在動態觀察方面的不足。
核孔復合體（NPCs）的結構與動態研究
核孔復合體是核質運輸的關鍵分子通道，結構類似多層蜘蛛網，由核孔蛋白（Nups）組成，包括維持結構的支架 Nups 和形成選擇性屏障的 FG（苯丙氨酸 - 甘氨酸）富集 Nups。其功能不僅限于物質運輸，還涉及細胞周期調控、基因表達、DNA 修復、表觀遺傳調控等，與癌癥、病毒感染、神經退行性疾病等密切相關。
傳統成像技術難以捕捉 NPCs 的動態變化，而 HS-AFM 通過實時觀察發現，NPCs 中的 FG-Nups 呈高度動態 “蜘蛛網” 狀，通過伸展、收縮及形成瞬時結來調節物質運輸。在結直腸癌（CRC）細胞中，FG-Nups 絲變得紊亂、粗厚，結形成增多，導致 NPCs 彈性下降，運輸功能受損。細胞凋亡過程中，NPCs 結構崩潰，FG-Nups 屏障瓦解，表現為孔徑縮小、絲纏繞加劇、靈活性喪失。
HS-AFM 還揭示了病毒與 NPCs 的相互作用機制。例如，新冠病毒（SARS-CoV-2）的 ORF6 蛋白通過疏水作用自組裝形成圓形或線性原纖維，隔離核孔蛋白 Rae1 和 Nup98，抑制 mRNA 輸出，干擾宿主免疫反應。其淀粉樣特性可能導致細胞功能障礙，與 COVID-19 患者的并發癥相關。
染色質與核小體的動態研究
染色質組織對基因組完整性和基因表達調控至關重要，HS-AFM 為染色質動態研究提供了新視角。核小體作為染色質基本單位，由 DNA 纏繞組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）構成。
研究發現，組蛋白 H2A 與 DNA 的相互作用呈現類似 “尺蠖” 的動態纏繞運動，且受成像底物影響顯著。組蛋白變體 H2A.Z 核小體可在 DNA 上自發滑動，暴露調控序列，其不穩定性高于經典 H2A 核小體，這一特性可能與基因轉錄激活相關。著絲粒核小體研究顯示，CENP-A 核小體比 H3 核小體更穩定，有助于維持有絲分裂中著絲粒的結構完整性。
在精子染色質濃縮過程中，魚精蛋白（PRMs）替代組蛋白與 DNA 結合，HS-AFM 實時觀察到 PRM 誘導 DNA 逐步折疊，經歷螺旋、桿狀中間體，最終形成環形納米結構，據此提出 “CARD 模型”（螺旋 - 組裝 - 桿 - 環形）。雌激素受體 α（ERα）與 DNA 的結合研究則發現，配體（雌激素）可誘導 ERα 二聚化，增強其與 DNA 結合的準確性和穩定性，提出 “配體誘導二聚化（LID）模型”，為癌癥激素治療提供了新機制解析。
HS-AFM 技術挑戰與未來方向
盡管 HS-AFM 已取得顯著進展，仍存在諸多挑戰。其成像深度有限，主要適用于表面結構，難以研究核內深層染色質；樣本制備復雜，需精細固定；存在針尖誘導假象風險；掃描范圍小，不利于大結構分析；設備昂貴且需專業操作。
未來發展方向包括：提升時間分辨率，利用人工智能（AI）動態調整掃描速率以捕捉超快分子事件；結合超分辨率熒光顯微鏡，實現功能成像與結構分析的關聯；開發三維 HS-AFM，探索染色質的立體組織；實現活細胞非侵入性長期成像，保留生理環境下的動態真實性；借助 AI 驅動的高通量數據分析，自動識別疾病相關結構異常。此外，HS-AFM 與冷凍電鏡斷層掃描、單分子追蹤等技術的結合，將推動核孔與染色質動態研究向多尺度、多維度發展，為癌癥、病毒感染、神經退行性疾病等的診斷與治療提供新策略。
結論
HS-AFM 通過實時、高分辨率成像，革新了核孔復合體與染色質動態研究，揭示了核質運輸、基因調控及病毒感染等過程的分子機制。隨著技術的不斷進步，其在生物醫學領域的應用前景廣闊，有望為疾病機制解析與精準醫療提供關鍵工具和理論依據。
