一种观察活细胞内活动的新方法

活细胞受到多种传入分子信号的轰击，这些信号会影响它们的行为。能够测量这些信号以及细胞如何通过下游分子信号网络对它们做出反应，可以帮助科学家更多地了解细胞是如何工作的，包括随着细胞衰老或患病而发生的情况。

目前，这种全面的研究是不可能的，因为目前的细胞成像技术仅限于一次细胞内的少数几种不同的分子类型。然而，麻省理工学院的研究人员开发了一种替代方法，使他们能够一次观察多达七个不同的分子，甚至可能更多。

“生物学中有很多例子，一个事件触发了一长串的下游事件，然后导致特定的细胞功能，”Y. Eva Tan神经技术教授Edward Boyden说。“这是怎么回事？这可以说是生物学的基本问题之一，所以我们想知道，你能简单地看着它发生吗？

新方法利用绿色或红色荧光分子，这些分子以不同的速率闪烁。通过在几秒钟、几分钟或几小时内对细胞进行成像，然后使用计算算法提取每个荧光信号，可以跟踪每个靶蛋白随时间变化的量。

Boyden也是麻省理工学院生物工程和脑与认知科学教授，霍华德休斯医学研究所研究员，麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员，以及K. Lisa Yang仿生学中心的联合主任，是该研究的资深作者， 今天出现在 Cell 中。麻省理工学院博士后Yong Qian是该论文的主要作者。

荧光信号

用荧光蛋白标记细胞内的分子使研究人员能够了解许多细胞分子的功能。这种类型的研究通常是使用绿色荧光蛋白 （GFP） 进行的，该蛋白于 1990 年代首次用于成像。从那时起，已经开发了几种以其他颜色发光的荧光蛋白用于实验用途。

然而，典型的光学显微镜只能区分其中的两种或三种颜色，使研究人员只能瞥见细胞内发生的整体活动。例如，如果他们能够追踪更多的标记分子，研究人员就可以在学习过程中测量脑细胞对不同神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。

“理想情况下，你将能够观察细胞中的信号，因为它们是实时波动的，然后你就可以了解它们之间的关系。这将告诉你细胞是如何计算的，“博伊登说。“问题是你不能同时看很多东西。

2020 年，Boyden 的实验室开发了一种同时对细胞内多达五个不同分子进行成像的方法，方法是将发光的记者定位到细胞内的不同位置。这种方法被称为“空间多路复用”，使研究人员能够区分不同分子的信号，即使它们可能都发出相同的颜色荧光。

在这项新研究中，研究人员采取了一种不同的方法：他们不是根据信号的物理位置来区分信号，而是创建随时间变化的荧光信号。该技术依赖于“可切换荧光团”——以特定速率打开和关闭的荧光蛋白。在这项研究中，Boyden和他的小组成员确定了四种绿色可切换荧光团，然后又设计了两种荧光团，所有这些荧光团都以不同的速率打开和关闭。他们还鉴定了两种以不同速率切换的红色荧光蛋白，并设计了一种额外的红色荧光团。

这些可切换荧光团中的每一种都可用于标记活细胞内不同类型的分子，例如酶、信号转导蛋白或细胞骨架的一部分。在对细胞进行几分钟、几小时甚至几天的成像后，研究人员使用计算算法从每个荧光团中挑选出特定的信号，类似于人耳如何挑选出不同频率的声音。

“在交响乐团中，你有高音调的乐器，如长笛，也有低音的乐器，如大号。中间是小号等乐器。它们都有不同的声音，我们的耳朵会把它们整理出来，“博伊登说。

研究人员用来分析荧光团信号的数学技术被称为线性解混。这种方法可以提取不同的荧光团信号，类似于人耳使用称为傅里叶变换的数学模型从一段音乐中提取不同的音高。

一旦这项分析完成，研究人员就可以看到在整个成像期间在细胞中发现每个荧光标记分子的时间和地点。成像本身可以用简单的光学显微镜完成，不需要专门的设备。

生物现象

在这项研究中，研究人员通过标记哺乳动物细胞中参与细胞分裂周期的六种不同分子来展示他们的方法。这使他们能够识别称为细胞周期蛋白依赖性激酶的酶水平如何随着细胞在细胞周期中的进展而变化的模式。

研究人员还表明，他们可以标记其他类型的激酶，这些激酶几乎涉及细胞信号传导的各个方面，以及细胞结构和细胞器，如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室培养皿中生长的哺乳动物细胞进行实验外，研究人员还表明，这种技术可以在斑马鱼幼虫的大脑中起作用。

据研究人员称，这种方法可用于观察细胞如何对任何类型的输入做出反应，例如营养物质、免疫系统因子、激素或神经递质。它还可用于研究细胞如何对基因表达或基因突变的变化做出反应。所有这些因素在生长、衰老、癌症、神经退行性和记忆形成等生物现象中都起着重要作用。

“你可以认为所有这些现象都代表了一类一般的生物学问题，其中一些短期事件 – 如吃营养，学习一些东西或感染 – 会产生长期变化，”博伊登说。

除了进行这些类型的研究外，Boyden的实验室还致力于扩大可切换荧光团的库，以便它们可以研究细胞内的更多信号。他们还希望对该系统进行调整，以便它可以用于小鼠模型。

该研究由Alana奖学金，K. Lisa Yang，John Doerr，Jed McCaleb，James Fickel，Ashar Aziz，麻省理工学院K. Lisa Yang和Hock E. Tan分子治疗中心，霍华德休斯医学研究所和美国国立卫生研究院资助。