活細(xì)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(xì)胞如何通過下游分子信號網(wǎng)絡(luò)對它們做出反應(yīng)，就能幫助科學(xué)家更多地了解細(xì)胞是如何工作的，包括當(dāng)細(xì)胞衰老或患病時會發(fā)生什么。
目前，這種全面的研究還不可能實現(xiàn)，因為目前的細(xì)胞成像技術(shù)一次只能局限于細(xì)胞內(nèi)的幾種不同的分子類型。然而，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種替代方法，可以讓他們一次觀察多達(dá)七個不同的分子，甚至可能更多。
Edward Boyden教授說：“在生物學(xué)中有很多例子，一個事件引發(fā)了一連串的下游事件，然后導(dǎo)致了特定的細(xì)胞功能，這是怎么發(fā)生的? 這可以說是生物學(xué)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(fā)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(nèi)對細(xì)胞進(jìn)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(biāo)蛋白質(zhì)的數(shù)量隨時間的變化了。
Boyden也是麻省理工學(xué)院生物工程和腦與認(rèn)知科學(xué)的教授，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員，是這項研究通訊作者，該研究發(fā)表在今天的《細(xì)胞》雜志上。麻省理工學(xué)院博士后Yong Qian是這篇論文的一作。
熒光信號
用熒光蛋白標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)的分子使研究人員能夠了解許多細(xì)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(jì)90年代首次用于成像。從那時起，幾種以其他顏色發(fā)光的熒光蛋白被開發(fā)出來用于實驗。
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(xì)胞內(nèi)發(fā)生的整體活動有局部的了解。如果他們能夠追蹤更多的標(biāo)記分子，研究人員就可以測量腦細(xì)胞在學(xué)習(xí)過程中對不同神經(jīng)遞質(zhì)的反應(yīng)，或者研究促使癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的信號。
“理想情況下，你將能夠?qū)崟r觀察細(xì)胞中的信號波動，然后就可以理解它們之間的關(guān)系。這將告訴你細(xì)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(fā)了一種方法，通過將發(fā)光報告細(xì)胞定位到細(xì)胞內(nèi)的不同位置，同時對細(xì)胞內(nèi)多達(dá)五種不同的分子進(jìn)行成像。這種方法被稱為空間復(fù)用（spatial multiplexing）技術(shù)，它允許研究人員區(qū)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：沒有根據(jù)信號的物理位置來區(qū)分信號，而是創(chuàng)造了隨時間變化的熒光信號。
這項技術(shù)依賴于“可切換熒光團(tuán)（switchable fluorophores，生物通注）”這是一種以特定速率開啟和關(guān)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(tuán)，然后設(shè)計了另外兩個，它們都以不同的速率打開和關(guān)閉。他們還確定了兩種以不同速率轉(zhuǎn)換的紅色熒光蛋白，并設(shè)計了一個額外的紅色熒光團(tuán)。
這些可切換的熒光團(tuán)都可以用來標(biāo)記活細(xì)胞內(nèi)不同類型的分子，如酶、信號蛋白或細(xì)胞骨架的一部分。在對細(xì)胞進(jìn)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(tuán)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(tuán)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(tuán)信號的數(shù)學(xué)技術(shù)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(tuán)信號，類似于人耳如何使用稱為傅里葉變換的數(shù)學(xué)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(biāo)記分子在細(xì)胞中的時間和位置。成像本身可以用一個簡單的光學(xué)顯微鏡完成，不需要專門的設(shè)備。
生物現(xiàn)象
在這項研究中，研究人員通過標(biāo)記哺乳動物細(xì)胞中參與細(xì)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(xì)胞周期蛋白依賴性激酶水平如何隨著細(xì)胞周期的進(jìn)展而變化的模式。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，他們可以標(biāo)記其他類型的激酶，這些激酶幾乎涉及細(xì)胞信號傳導(dǎo)的各個方面，以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器，如細(xì)胞骨架和線粒體。除了使用在實驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的哺乳動物細(xì)胞進(jìn)行實驗外，研究人員還表明，這項技術(shù)可以在斑馬魚幼蟲的大腦中發(fā)揮作用。
研究人員說，這種方法可以用來觀察細(xì)胞對任何輸入的反應(yīng)，比如營養(yǎng)物質(zhì)、免疫系統(tǒng)因子、激素或神經(jīng)遞質(zhì)。它還可以用于研究細(xì)胞如何對基因表達(dá)或基因突變的變化做出反應(yīng)。所有這些因素都在諸如生長、衰老、癌癥、神經(jīng)退化和記憶形成等生物現(xiàn)象中發(fā)揮著重要作用。
Boyden說:“你可以把所有這些現(xiàn)象看作是一類生物學(xué)問題，一些短期事件——比如吃了營養(yǎng)物，學(xué)了東西，或者感染了病毒，會產(chǎn)生長期的變化。”
除了進(jìn)行這些類型的研究，Boyden的實驗室還致力于擴(kuò)大可切換熒光團(tuán)的范圍，以便他們可以研究細(xì)胞內(nèi)更多的信號。他們還希望對該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使其能夠用于小鼠模型。
文章標(biāo)題
Temporally multiplexed imaging of dynamic signaling networks in living cells
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-11） | 
