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活細胞受到多種影響其行為的傳入分子信號的狂轟濫炸。能夠測量這些信號，以及細胞如何通過(guò)下游分子信號網(wǎng)絡(luò )對它們做出反應，可以幫助科學(xué)家們更多地了解細胞是如何工作的，包括當它們衰老或患病時(shí)會(huì )發(fā)生什么。

目前，這種全面的研究是不可能的，因為目前的細胞成像技術(shù)一次只能局限于細胞內的幾種不同的分子類(lèi)型。然而，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種替代方法，可以讓他們一次觀(guān)察多達七個(gè)不同的分子，甚至可能更多。

“在生物學(xué)中有很多例子，一個(gè)事件引發(fā)了一連串的下游事件，然后導致了特定的細胞功能，”Y. Eva Tan神經(jīng)技術(shù)教授Edward Boyden說(shuō)。“這是怎么發(fā)生的？”這可以說(shuō)是生物學(xué)的基本問(wèn)題之一，所以我們想知道，你能簡(jiǎn)單地看著(zhù)它發(fā)生嗎？

圖片信息：鏈霉菌進(jìn)化中ROP信號的建立。

這種新方法利用了綠色或紅色熒光分子，它們以不同的速率閃爍。通過(guò)在幾秒鐘、幾分鐘或幾小時(shí)內對細胞進(jìn)行成像，然后使用計算算法提取每個(gè)熒光信號，可以跟蹤每個(gè)目標蛋白的數量隨時(shí)間的變化。

Boyden也是麻省理工學(xué)院生物工程和腦與認知科學(xué)的教授，霍華德休斯醫學(xué)研究所的研究員，麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所和科赫綜合癌癥研究所的成員，以及K. Lisa Yang 仿生學(xué)中心的聯(lián)合主任，是這項研究的資深作者，該研究發(fā)表在今天的《Cell》雜志上。麻省理工學(xué)院博士后Yong Qian是這篇論文的第一作者。

熒光信號

用熒光蛋白標記細胞內的分子使研究人員能夠了解許多細胞分子的功能。這種類(lèi)型的研究通常是用綠色熒光蛋白（GFP）完成的，它在20世紀90年代首次用于成像。從那時(shí)起，幾種以其他顏色發(fā)光的熒光蛋白被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于實(shí)驗。

然而，典型的光學(xué)顯微鏡只能分辨出其中的兩種或三種顏色，這使得研究人員只能對細胞內發(fā)生的整體活動(dòng)有一個(gè)很小的了解。如果他們能夠追蹤更多的標記分子，研究人員就可以測量腦細胞在學(xué)習過(guò)程中對不同神經(jīng)遞質(zhì)的反應，或者研究促使癌細胞轉移的信號。

“理想情況下，你將能夠實(shí)時(shí)觀(guān)察細胞中的信號波動(dòng)，然后你就可以理解它們之間的關(guān)系。這將告訴你細胞是如何計算的，”Boyden說(shuō)。“問(wèn)題是你不能同時(shí)看很多東西。”

2020年，Boyden的實(shí)驗室開(kāi)發(fā)了一種方法，通過(guò)將發(fā)光報告細胞定位到細胞內的不同位置，同時(shí)對細胞內多達五種不同的分子進(jìn)行成像。這種方法被稱(chēng)為“空間多路復用”，它允許研究人員區分不同分子的信號，即使它們發(fā)出的熒光可能是相同的顏色。

在這項新研究中，研究人員采用了一種不同的方法：他們創(chuàng )造了隨時(shí)間變化的熒光信號，而不是根據它們的物理位置來(lái)區分信號。這項技術(shù)依賴(lài)于“可切換的熒光團”——一種以特定速率開(kāi)啟和關(guān)閉的熒光蛋白。在這項研究中，博伊登和他的小組成員確定了四個(gè)綠色可切換熒光團，然后設計了另外兩個(gè)，它們都以不同的速率打開(kāi)和關(guān)閉。他們還確定了兩種以不同速率轉換的紅色熒光蛋白，并設計了一個(gè)額外的紅色熒光團。

這些可切換的熒光團中的每一個(gè)都可以用來(lái)標記活細胞內不同類(lèi)型的分子，如酶、信號蛋白或細胞骨架的一部分。在對細胞進(jìn)行幾分鐘、幾小時(shí)甚至幾天的成像后，研究人員使用一種計算算法從每個(gè)熒光團中挑選出特定的信號，類(lèi)似于人耳如何挑選不同頻率的聲音。

“在交響樂(lè )團中，你有高音樂(lè )器，比如長(cháng)笛，也有低音樂(lè )器，比如大號。中間是小號之類(lèi)的樂(lè )器。它們都有不同的聲音，我們的耳朵會(huì )把它們分類(lèi)。”

研究人員用來(lái)分析熒光團信號的數學(xué)技術(shù)被稱(chēng)為線(xiàn)性解混。這種方法可以提取不同的熒光團信號，類(lèi)似于人耳如何使用稱(chēng)為傅里葉變換的數學(xué)模型從一段音樂(lè )中提取不同的音高。

一旦分析完成，研究人員就可以看到在整個(gè)成像期間，每個(gè)熒光標記分子在細胞中的時(shí)間和位置。成像本身可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)顯微鏡完成，不需要專(zhuān)門(mén)的設備。

生物現象

在這項研究中，研究人員通過(guò)標記哺乳動(dòng)物細胞中參與細胞分裂周期的六種不同分子來(lái)證明他們的方法。這使他們能夠確定細胞周期蛋白依賴(lài)性激酶水平如何隨著(zhù)細胞周期的進(jìn)展而變化的模式。

研究人員還表明，他們可以標記其他類(lèi)型的激酶，這些激酶幾乎涉及細胞信號傳導的各個(gè)方面，以及細胞結構和細胞器，如細胞骨架和線(xiàn)粒體。除了使用在實(shí)驗室培養皿中培養的哺乳動(dòng)物細胞進(jìn)行實(shí)驗外，研究人員還表明，這項技術(shù)可以在斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)的大腦中發(fā)揮作用。

研究人員說(shuō)，這種方法可以用來(lái)觀(guān)察細胞對任何輸入的反應，比如營(yíng)養物質(zhì)、免疫系統因子、激素或神經(jīng)遞質(zhì)。它還可以用于研究細胞如何對基因表達或基因突變的變化做出反應。所有這些因素都在諸如生長(cháng)、衰老、癌癥、神經(jīng)退化和記憶形成等生物現象中發(fā)揮著(zhù)重要作用。

Boyden說(shuō)：“你可以把所有這些現象看作是一類(lèi)生物學(xué)問(wèn)題，一些短期事件——比如吃了營(yíng)養物，學(xué)了東西，或者感染了病毒——會(huì )產(chǎn)生長(cháng)期的變化。”

除了進(jìn)行這些類(lèi)型的研究，Boyden的實(shí)驗室還致力于擴大可切換熒光團的范圍，以便他們可以研究細胞內更多的信號。他們還希望對該系統進(jìn)行調整，使其能夠用于小鼠模型。

該研究由Alana獎學(xué)金、K. Lisa Yang、John Doerr、Jed McCaleb、James Fickel、Ashar Aziz、麻省理工學(xué)院K. Lisa Yang和Hock E. Tan分子治療中心、霍華德休斯醫學(xué)研究所和美國國立衛生研究院資助。

期刊：Cell