在單個細胞中，成千上萬的分子(如蛋白質(zhì)、離子等信號分子)共同發(fā)揮著各種功能——吸收營養(yǎng)、儲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)了熒光報告儀，可以用來讀取細胞中單個分子的動態(tài)。然而，通常一次只能觀察到一兩個這樣的信號，因為顯微鏡無法區(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，通過隨機測量整個細胞中不同位置的每個信號，一次成像多達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)細胞功能的復(fù)雜信號網(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分子，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(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，在一項新的研究中，Boyden和他的同事使用這種技術(shù)來識別兩組以不同方式對鈣信號做出反應(yīng)的神經(jīng)元，這可能會影響它們編碼長期記憶的方式。
Boyden是這項研究的資深作者，這項研究發(fā)表在今天的《細胞》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。
熒光團簇
為了使分子活性在細胞中可見，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)建報告基因。約翰楊說：“這類似于煙霧探測器感知煙霧，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看到一種或兩種顏色，許多記者是綠色的，因為它們是基于綠色熒光蛋白。”“到目前為止，還缺乏同時看到一個以上這些信號的能力?！?
令狐說：“就像聽管弦樂隊的單個樂器的聲音一樣，遠遠不足以完全欣賞交響樂?！蓖ㄟ^同時觀察多個細胞信號，我們的技術(shù)將幫助我們理解交響樂。細胞活動。"
為了增加他們能看到的信號數(shù)量，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(xiàn)有的報告分子，使其聚集在一個單位內(nèi)的不同位置。他們通過在每個報告分子中添加兩個小肽來做到這一點，這有助于報告分子在細胞中形成不同的簇。
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)，每個細胞最終將擁有數(shù)百個熒光報告簇。在顯微鏡下測量每個簇的活性后，基于變化的熒光，研究人員可以通過保存細胞和染色每個報告基因的獨特肽標簽來確定每個簇中正在測量的分子。肽標簽在活細胞中是不可見的，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，即使它們在活細胞中發(fā)出相同的顏色。
研究人員用這種方法表明，他們可以在一個細胞中看到五種不同的分子信號。為了證明這一策略的潛在用途，他們測量了三個平行分子中的鈣、環(huán)腺苷酸和蛋白激酶A的活性。這些分子形成信號網(wǎng)絡(luò)，與全身許多不同的細胞功能有關(guān)。在神經(jīng)元中，它在將短期輸入(來自上游神經(jīng)元)轉(zhuǎn)化為長期變化(如加強神經(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具有不同鈣信號動力學(xué)的新亞組。一群人對鈣反應(yīng)遲鈍。在其他人群中，神經(jīng)元對鈣的反應(yīng)更快。后者人群的PKA反應(yīng)較大。研究人員認為，這種增強的反應(yīng)可能有助于維持神經(jīng)元的長期變化。
成像網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)在，研究人員計劃在活體動物中嘗試這種方法，以便研究信號網(wǎng)絡(luò)活動和行為之間的關(guān)系，并將其擴展到其他類型的細胞，如免疫細胞。該技術(shù)也可用于比較健康組織和患病組織的細胞之間的信號網(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，通過修改現(xiàn)有的策略，他們相信它們可以達到16種。額外的工作，這個數(shù)字可以達到數(shù)百。
Boyden說：“這可能確實有助于解決一些棘手的問題，這些問題涉及細胞的所有部分如何協(xié)同工作?！薄叭藗兛梢韵胂笠粋€時代，我們可以看到活細胞中的一切，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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