在單個(gè)細(xì)胞中，成千上萬的分子(如蛋白質(zhì)、離子等信號(hào)分子)共同發(fā)揮著各種功能——吸收營(yíng)養(yǎng)、儲(chǔ)存記憶和分化為特定組織等。解密這些分子及其相互作用是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在過去的20年里，科學(xué)家們開發(fā)了熒光報(bào)告儀，可以用來讀取細(xì)胞中單個(gè)分子的動(dòng)態(tài)。然而，通常一次只能觀察到一兩個(gè)這樣的信號(hào)，因?yàn)轱@微鏡無法區(qū)分許多熒光顏色。
麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種方法，通過隨機(jī)測(cè)量整個(gè)細(xì)胞中不同位置的每個(gè)信號(hào)，一次成像多達(dá)五種不同的分子類型。Y. Eva Tan的神經(jīng)技術(shù)教授、生物工程、媒體藝術(shù)與科學(xué)、大腦與認(rèn)知科學(xué)教授愛德華博伊登(Edward Boyden)表示，這種方法可以讓科學(xué)家更多地了解控制大多數(shù)細(xì)胞功能的復(fù)雜信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。麻省理工學(xué)院。
麻省理工學(xué)院的成員Boyden說：“基因組編碼成千上萬個(gè)分子，它們以我們不理解的方式相互作用。只有同時(shí)觀察它們，我們才能理解它們之間的關(guān)系?！丙湼晡哪X科學(xué)研究所和科赫綜合癌癥研究所。
研究人員表示，在一項(xiàng)新的研究中，Boyden和他的同事使用這種技術(shù)來識(shí)別兩組以不同方式對(duì)鈣信號(hào)做出反應(yīng)的神經(jīng)元，這可能會(huì)影響它們編碼長(zhǎng)期記憶的方式。
Boyden是這項(xiàng)研究的資深作者，這項(xiàng)研究發(fā)表在今天的《細(xì)胞》雜志上。這篇論文的主要作者是麻省理工學(xué)院博士后楊令虎和研究生香農(nóng)約翰遜。
熒光團(tuán)簇
為了使分子活性在細(xì)胞中可見，科學(xué)家通常通過將傳感靶分子的蛋白質(zhì)與發(fā)光蛋白質(zhì)融合來創(chuàng)建報(bào)告基因。約翰楊說：“這類似于煙霧探測(cè)器感知煙霧，然后發(fā)出閃光的方式?！奔s翰遜還是譚洋分子治療中心的研究員。最常用的發(fā)光蛋白是綠色熒光蛋白(GFP)，它是基于最初在熒光水母中發(fā)現(xiàn)的分子。
Boyden說：“通常情況下，生物學(xué)家在顯微鏡下可以同時(shí)看到一種或兩種顏色，許多記者是綠色的，因?yàn)樗鼈兪腔诰G色熒光蛋白。”“到目前為止，還缺乏同時(shí)看到一個(gè)以上這些信號(hào)的能力?！?
令狐說：“就像聽管弦樂隊(duì)的單個(gè)樂器的聲音一樣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以完全欣賞交響樂?！蓖ㄟ^同時(shí)觀察多個(gè)細(xì)胞信號(hào)，我們的技術(shù)將幫助我們理解交響樂。細(xì)胞活動(dòng)。"
為了增加他們能看到的信號(hào)數(shù)量，研究人員開始通過位置而不是顏色來識(shí)別信號(hào)。他們修改了現(xiàn)有的報(bào)告分子，使其聚集在一個(gè)單位內(nèi)的不同位置。他們通過在每個(gè)報(bào)告分子中添加兩個(gè)小肽來做到這一點(diǎn)，這有助于報(bào)告分子在細(xì)胞中形成不同的簇。
約翰遜說：“這就像把記者X綁在樂高積木上，而記者Z綁在K'NEX積木上。只有樂高積木才能接住其他樂高積木，這就導(dǎo)致了只有記者X才能和更多的記者X聚在一起.”。
通過這種技術(shù)，每個(gè)細(xì)胞最終將擁有數(shù)百個(gè)熒光報(bào)告簇。在顯微鏡下測(cè)量每個(gè)簇的活性后，基于變化的熒光，研究人員可以通過保存細(xì)胞和染色每個(gè)報(bào)告基因的獨(dú)特肽標(biāo)簽來確定每個(gè)簇中正在測(cè)量的分子。肽標(biāo)簽在活細(xì)胞中是不可見的，但是它們可以在活體成像完成后被染色和觀察。這使得研究人員能夠區(qū)分不同分子的信號(hào)，即使它們?cè)诨罴?xì)胞中發(fā)出相同的顏色。
研究人員用這種方法表明，他們可以在一個(gè)細(xì)胞中看到五種不同的分子信號(hào)。為了證明這一策略的潛在用途，他們測(cè)量了三個(gè)平行分子中的鈣、環(huán)腺苷酸和蛋白激酶A的活性。這些分子形成信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，與全身許多不同的細(xì)胞功能有關(guān)。在神經(jīng)元中，它在將短期輸入(來自上游神經(jīng)元)轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期變化(如加強(qiáng)神經(jīng)元之間的聯(lián)系)中起著重要作用，這是學(xué)習(xí)和形成新記憶的必要過程。
在將這種成像技術(shù)應(yīng)用于海馬錐體神經(jīng)元后，研究人員確定了兩個(gè)具有不同鈣信號(hào)動(dòng)力學(xué)的新亞組。一群人對(duì)鈣反應(yīng)遲鈍。在其他人群中，神經(jīng)元對(duì)鈣的反應(yīng)更快。后者人群的PKA反應(yīng)較大。研究人員認(rèn)為，這種增強(qiáng)的反應(yīng)可能有助于維持神經(jīng)元的長(zhǎng)期變化。
成像網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)在，研究人員計(jì)劃在活體動(dòng)物中嘗試這種方法，以便研究信號(hào)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)和行為之間的關(guān)系，并將其擴(kuò)展到其他類型的細(xì)胞，如免疫細(xì)胞。該技術(shù)也可用于比較健康組織和患病組織的細(xì)胞之間的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)模式。
他們說，在這篇論文中，研究人員展示了他們可以一次記錄五種不同的分子信號(hào)，通過修改現(xiàn)有的策略，他們相信它們可以達(dá)到16種。額外的工作，這個(gè)數(shù)字可以達(dá)到數(shù)百。
Boyden說：“這可能確實(shí)有助于解決一些棘手的問題，這些問題涉及細(xì)胞的所有部分如何協(xié)同工作?！薄叭藗兛梢韵胂笠粋€(gè)時(shí)代，我們可以看到活細(xì)胞中的一切，或者至少是與學(xué)習(xí)、疾病或疾病治療相關(guān)的部分?！?
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