Cell:新成像方法可同時從單個細胞中5種不同分子進行成像

2020-11-26 生物谷

2020年11月25日訊/

生物谷

BIOON/---在單個細胞內，成千上萬個分子，如蛋白、離子和其他信號分子，共同發揮各種功能---吸收營養物、儲存記憶和分化成特定的組織等等。

解讀這些分子及其所有的相互作用是一項艱巨的任務。在過去的20年裡，科學家們已經開發出了螢光報告分子用來讀取細胞內單個分子的動態。然而，通常一次只能觀察到一兩個這樣的信號，這是因為顯微鏡無法區分許多螢光顏色。

在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院的研究人員如今開發出一種方法：通過測量整個細胞內隨機的、不同位置的每個信號，一次可以對多達5種不同類型的分子進行成像。相關研究結果於2020年11月23日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Spatial Multiplexing of Fluorescent Reporters for Imaging Signaling Network Dynamics」。論文通訊作者、麻省理工學院的Edward Boyden教授說，這種方法可以讓科學家們更多地了解控制大多數細胞功能的複雜信號網絡。論文第一作者為麻省理工學院博士後研究員Changyang Linghu和研究生Shannon Johnson。

圖片來自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.10.035。

Boyden說，「基因組編碼的分子有數千種，它們以我們不理解的方式相互作用。只有同時觀察它們，我們才能理解它們之間的關係。」

在這項新的研究中，Boyden及其同事們利用這種技術鑑定出兩種對鈣信號有不同反應的神經元群體，這可能影響它們如何編碼長期記憶。

螢光簇

為了使細胞內的分子活動變得可見，科學家們通常通過將一種感知目標分子的蛋白與一種會發光的蛋白相融合來構建報告分子。Johnson說，「這類似於煙霧探測器，一旦感應到煙霧，就會閃爍燈光。」最常用的發光蛋白是綠色螢光蛋白（GFP），它基於最初在螢光水母中發現的分子。

Boyden說，「一般來說，生物學家可以在顯微鏡上同時看到一種或兩種顏色，而很多報告分子都是綠色的，這是因為它們都是基於GFP。到現在為止，一直缺乏的是同時觀察一兩種以上的信號的能力。」

Linghu說，「就像聽管弦樂隊的單件樂器的聲音遠遠不足以完全欣賞一首交響樂一樣，通過實現同時觀測多個細胞信號，我們的技術將幫助我們理解細胞活動的'交響樂'。」

為了提高他們能看到的信號數量，這些研究人員開始通過位置而不是顏色來識別信號。他們修改了現有的報告分子，使得它們在細胞內的不同位置聚集成簇。他們通過在每個報告分子中添加兩個小肽來做到這一點，這有助於這些報告分子在細胞內形成不同的簇。

Johnson說，「這就像讓報告分子X被拴在樂高（LEGO）積木上，而報告分子Z被拴在科樂思（K'NEX）拼塊上---只有樂高積木與其他樂高積木扣在一起，才會導致報告分子X僅與更多的報告分子X聚集在一起。」

通過這種技術，每個細胞最終會有數百個螢光報告分子簇。在顯微鏡下測量每個簇的活性後，根據螢光的變化，這些研究人員可以通過保存細胞和對每個報告分子特有的肽標籤進行染色來確定每個簇中被測量的分子。這些肽標籤在活細胞中是看不見的，但在活體成像完成後，它們可以被染色並看到。這使得他們能夠區分不同分子的信號，即使它們在活細胞中可能發出相同顏色的螢光。

通過使用這種方法，這些研究人員發現，他們可以在單個細胞中觀察到五種不同的分子信號。為了證明這種策略的潛在有用性，他們平行測量了三種分子---鈣、環狀AMP（cAMP）和蛋白激酶A（PKA）---的活性。這些分子形成的信號網絡與全身許多不同的細胞功能有關。在神經元中，它在將短期輸入（來自上遊神經元）轉化為長期變化中起著重要作用。這些長期變化包括加強神經元之間的連接，而這是學習和形成新記憶所必需的過程。

在將這種成像技術應用於海馬體的錐體神經元（pyramidal neuron）中後，這些研究人員發現了兩個具有不同鈣信號動態的新型亞群。一個亞群表現出緩慢的鈣反應。在另一個亞群中，神經元具有更快的鈣反應。後一個亞群有較大的PKA反應。這些研究人員認為，這種強烈的反應可能有助於維持這些神經元的長期變化。

對信號網絡進行成像

這些研究人員如今計劃在活體動物中嘗試這種方法，這樣他們就可以研究信號網絡活動與行為的關係，還可以將其擴展到其他類型的細胞，如免疫細胞。這種技術對於比較來自健康組織和患病組織的細胞之間的信號網絡模式也可能是有用的。

在這篇論文中，這些研究人員發現他們可以同時記錄5種不同的分子信號，而且通過修改現有的策略，他們相信可以同時記錄高達16種不同的分子信號。他們說，通過額外的研究工作，這個數字可能達到數百個。

Boyden說，「這真地可能有助於破解一些關於細胞各部分如何共同發揮作用的棘手問題。人們可能會想像存在這樣的一個時代：我們可以觀察活細胞中發生的一切，或者至少是與學習，或與疾病，或與疾病治療有關的部分。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：1.Changyang Linghu et al. Spatial Multiplexing of Fluorescent Reporters for Imaging Signaling Network Dynamics. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.10.035.

2.Imaging method reveals a 'symphony of cellular activities'
https://phys.org/news/2020-11-imaging-method-reveals-symphony-cellular.html

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