细胞膜将细胞的内部与外部分开,并通过其跨膜蛋白执行基本功能。细胞通过膜上蛋白,脂质和糖类等生物分子的相互作用维持了细胞内环境的稳定,为细胞的各种生理活动,例如增殖与分化,胞吞与胞吐等提供了保障。然而,由于细胞膜的组成成分的复杂性和结构的高度组织化,使得我们无法充分描绘原位环境中细胞膜的结构和功能。了解原生细胞膜的组成和结构对于膜靶向药物筛选和用于药物/疫苗输送的工程纳米颗粒的制备是至关重要的。近些年来,随着单分子成像技术和冷冻电子显微技术的发展,使得我们以更高的分辨率原位成像了细胞膜的结构,并成像了细胞膜上膜蛋白与其他生物分子相互作用形成的脂筏等功能微区,除此之外,还通过单颗粒分析解析了从细胞膜上提取的多种膜蛋白的三维结构。然而由于成像技术分辨率的限制,膜结构仍处于模型阶段,复杂的原位细胞膜环境也使得膜蛋白的原位结构解析没有得到解决。为了在原位环境中直观的研究细胞膜和膜蛋白的结构特征以及分析膜蛋白特征和功能的相互关系,我们分别通过冷冻电子断层扫描（Cryo-electrontomography,Cryo-ET）和联用的原子力显微镜（Atomic force microscopy,AFM）和直接随机光学重构显微镜（direct Stochastic optical reconstructionmicroscopy,dSTORM）揭示 了原位环境中人的红细胞膜的三维结构和膜蛋白的特征,除此之外,还通过dSTORM分析了组织细胞膜的膜蛋白的特征与功能的相互关系。主要研究结果如下:1.利用cryo-ET直观的观察了人红细胞膜整体的三维结构并分析了膜蛋白的分布和结构特征。我们的结果提供了一个原位细胞膜的全面图像,其中高度密集的膜蛋白主要以半镶嵌的方式分布在脂质双层中,并倾向于形成蛋白簇以执行生理功能或作为细胞骨架的锚点。Cryo-ET数据前所未有的高信噪比使我们能够对小尺寸的膜蛋白进行子断层图平均,并得到了两个分辨率分别为25 A和27 A的跨膜蛋白结构。我们的结果代表了首次通过cryo-ET对细胞膜和膜蛋白进行的原位结构表征。2.我们通过联用的AFM和dSTORM的方法,精确地定位了葡萄糖转运体1（Glut1）和阴离子转运体1（AE1,又称为Band3）在人类红细胞膜的胞质侧的形貌图中的位置。AFM的结果显示,膜蛋白相互聚集,以蛋白岛的形式存在。dSTORM结果显示,Glut1和AE1倾向于在人的红细胞膜上形成蛋白簇,并且这两种蛋白之间存在强烈的共定位。AFM和dSTORM联合观察的结果表明,Glut1和AE1的蛋白簇主要位于形貌图的蛋白岛中,形貌图中的蛋白岛也会发生相互作用,组装成更大的蛋白簇或功能微区。3.利用活细胞共聚焦显微镜和dSTORM研究了葡萄糖对t-SNAREs（SNAP-25,STX-1A）的亚细胞定位和在细胞膜上的空间分布的影响。活细胞共聚焦和dSTORM成像首先发现,在基础葡萄糖浓度条件下,SNAP-25和STX-1A大多以蛋白簇的形式定位在细胞膜上,并且SNAP-25与STX-1A的蛋白簇表现出明显的共定位。此外,我们的数据显示,葡萄糖浓度的升高增加了 SNAP-25和STX-1A的表达,并提高了 SNAP-25和STX-1A在细胞膜上的聚集程度,而糖毒性严重降低了 SNAP-25和STX-1A在细胞膜上的丰度和聚集程度。此外,我们发现糖毒性对SNAP-25和STX-1 A之间的共定位也有抑制作用,表明它们的相互作用减弱了。我们的工作揭示了葡萄糖在亚细胞和分子水平上对t-SNAREs功能组织的调节作用,从而对SNAREs调节胰岛素释放的机制有了新的认识。