新技術：一次觀察多達七個不同分子的活細胞技術

活細胞受到多種分子信號的轟擊，這些信號會影響它們的行為。如果能夠測量這些信號以及細胞如何通過下游分子信號網絡對它們做出反應，就能幫助科學家更多地了解細胞是如何工作的，包括當細胞衰老或患病時會發生什么。

目前，這種全面的研究還不可能實現，因為目前的細胞成像技術一次只能局限于細胞內的幾種不同的分子類型。然而，麻省理工學院的研究人員已經開發出一種替代方法，可以讓他們一次觀察多達七個不同的分子，甚至可能更多。

Edward Boyden教授說：“在生物學中有很多例子，一個事件引發了一連串的下游事件，然后導致了特定的細胞功能，這是怎么發生的? 這可以說是生物學的基本問題之一，所以我們想知道，能否簡單的觀察到它的發生?”

新方法利用了以不同速率閃爍的綠色或紅色熒光分子。通過在幾秒鐘、幾分鐘或幾小時內對細胞進行成像，然后利用計算算法提取每個熒光信號，就能跟蹤每個目標蛋白質的數量隨時間的變化了。

Boyden也是麻省理工學院生物工程和腦與認知科學的教授，霍華德休斯醫學研究所的研究員，是這項研究通訊作者，該研究發表在今天的《細胞》雜志上。麻省理工學院博士后Yong Qian是這篇論文的一作。

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**用于成像。從那時起，幾種以其他顏色發光的熒光蛋白被開發出來用于實驗。

然而，典型的光學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生的整體活動有局部的了解。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習過程中對不同神經遞質的反應，或者研究促使癌細胞轉移的信號。

“理想情況下，你將能夠實時觀察細胞中的信號波動，然后就可以理解它們之間的關系。這將告訴你細胞是如何計算的，問題是，你無法同時觀察多種因素。”

2020年，Boyden實驗室開發了一種方法，通過將發光報告細胞定位到細胞內的不同位置，同時對細胞內多達五種不同的分子進行成像。這種方法被稱為空間復用（spatial multiplexing）技術，它允許研究人員區分不同分子的信號，即使它們發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：沒有根據信號的物理位置來區分信號，而是創造了隨時間變化的熒光信號。

這項技術依賴于“可切換熒光團（switchable fluorophores，生物通注）”這是一種以特定速率開啟和關閉的熒光蛋白。在這項研究中，Boyden和他的小組成員確定了四個綠色可切換熒光團，然后設計了另外兩個，它們都以不同的速率打開和關閉。他們還確定了兩種以不同速率轉換的紅色熒光蛋白，并設計了一個額外的紅色熒光團。

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

“在交響樂團中，有高音樂器，比如長笛，也有低音樂器，比如大號。中間是小號之類的樂器。它們都有不同的聲音，我們的耳朵會把它們分類。”

研究人員用來分析熒光團信號的數學技術被稱為線性混合像元分解（Linear Spectral Unmixing）。這種方法可以提取不同的熒光團信號，類似于人耳如何使用稱為傅里葉變換的數學模型從一段音樂中提取不同的音高。

一旦分析完成，研究人員就可以看到在整個成像期間，每個熒光標記分子在細胞中的時間和位置。成像本身可以用一個簡單的光學顯微鏡完成，不需要專門的設備。

生物現象

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

研究人員還發現，他們可以標記其他類型的激酶，這些激酶幾乎涉及細胞信號傳導的各個方面，以及細胞結構和細胞器，如細胞骨架和線粒體。除了使用在實驗室培養皿中培養的哺乳動物細胞進行實驗外，研究人員還表明，這項技術可以在斑馬魚幼蟲的大腦中發揮作用。

研究人員說，這種方法可以用來觀察細胞對任何輸入的反應，比如營養物質、免疫系統因子、激素或神經遞質。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、衰老、癌癥、神經退化和記憶形成等生物現象中發揮著重要作用。

Boyden說:“你可以把所有這些現象看作是一類生物學問題，一些短期事件——比如吃了營養物，學了東西，或者感染了病毒，會產生長期的變化。”

除了進行這些類型的研究，Boyden的實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行調整，使其能夠用于小鼠模型。

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