Cell论文详解:新成像方法可同时对单个细胞中5种不同分子进行成像

在单个细胞内,成千上万个分子,如蛋白、离子和其他信号分子,共同发挥各种功能---吸收营养物、储存记忆和分化成特定的组织等等。解读这些分子及其所有的相互作用是一项艰巨的任务。在过去的20年里,科学家们已经开发出了荧光报告分子用来读取细胞内单个分子的动态。然而,通常一次只能观察到一两个这样的信号,这是因为显微镜无

参考资料:

1.Changyang Linghu et al. Spatial Multiplexing of Fluorescent Reporters for Imaging Signaling Network Dynamics. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.10.035.

2.Imaging method reveals a 'symphony of cellular activities'
https://phys.org/news/2020-11-imaging-method-reveals-symphony-cellular.html

2020年11月25日讯/医药达1YAODA/---在单个细胞内,成千上万个分子,如蛋白、离子和其他信号分子,共同发挥各种功能---吸收营养物、储存记忆和分化成特定的组织等等。

解读这些分子及其所有的相互作用是一项艰巨的任务。在过去的20年里,科学家们已经开发出了荧光报告分子用来读取细胞内单个分子的动态。然而,通常一次只能观察到一两个这样的信号,这是因为显微镜无法区分许多荧光颜色。

在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院的研究人员如今开发出一种方法:通过测量整个细胞内随机的、不同位置的每个信号,一次可以对多达5种不同类型的分子进行成像。相关研究结果于2020年11月23日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Spatial Multiplexing of Fluorescent Reporters for Imaging Signaling Network Dynamics”。论文通讯作者、麻省理工学院的Edward Boyden教授说,这种方法可以让科学家们更多地了解控制大多数细胞功能的复杂信号网络。论文第一作者为麻省理工学院博士后研究员Changyang Linghu和研究生Shannon Johnson。

图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.10.035。

Boyden说,“基因组编码的分子有数千种,它们以我们不理解的方式相互作用。只有同时观察它们,我们才能理解它们之间的关系。”

在这项新的研究中,Boyden及其同事们利用这种技术鉴定出两种对钙信号有不同反应的神经元群体,这可能影响它们如何编码长期记忆。

荧光簇

为了使细胞内的分子活动变得可见,科学家们通常通过将一种感知目标分子的蛋白与一种会发光的蛋白相融合来构建报告分子。Johnson说,“这类似于烟雾探测器,一旦感应到烟雾,就会闪烁灯光。”最常用的发光蛋白是绿色荧光蛋白(GFP),它基于最初在荧光水母中发现的分子。

Boyden说,“一般来说,生物学家可以在显微镜上同时看到一种或两种颜色,而很多报告分子都是绿色的,这是因为它们都是基于GFP。到现在为止,一直缺乏的是同时观察一两种以上的信号的能力。”

Linghu说,“就像听管弦乐队的单件乐器的声音远远不足以完全欣赏一首交响乐一样,通过实现同时观测多个细胞信号,我们的技术将帮助我们理解细胞活动的'交响乐'。”

为了提高他们能看到的信号数量,这些研究人员开始通过位置而不是颜色来识别信号。他们修改了现有的报告分子,使得它们在细胞内的不同位置聚集成簇。他们通过在每个报告分子中添加两个小肽来做到这一点,这有助于这些报告分子在细胞内形成不同的簇。

Johnson说,“这就像让报告分子X被拴在乐高(LEGO)积木上,而报告分子Z被拴在科乐思(K'NEX)拼块上---只有乐高积木与其他乐高积木扣在一起,才会导致报告分子X仅与更多的报告分子X聚集在一起。”

通过这种技术,每个细胞最终会有数百个荧光报告分子簇。在显微镜下测量每个簇的活性后,根据荧光的变化,这些研究人员可以通过保存细胞和对每个报告分子特有的肽标签进行染色来确定每个簇中被测量的分子。这些肽标签在活细胞中是看不见的,但在活体成像完成后,它们可以被染色并看到。这使得他们能够区分不同分子的信号,即使它们在活细胞中可能发出相同颜色的荧光。

通过使用这种方法,这些研究人员发现,他们可以在单个细胞中观察到五种不同的分子信号。为了证明这种策略的潜在有用性,他们平行测量了三种分子---钙、环状AMP(cAMP)和蛋白激酶A(PKA)---的活性。这些分子形成的信号网络与全身许多不同的细胞功能有关。在神经元中,它在将短期输入(来自上游神经元)转化为长期变化中起着重要作用。这些长期变化包括加强神经元之间的连接,而这是学习和形成新记忆所必需的过程。

在将这种成像技术应用于海马体的锥体神经元(pyramidal neuron)中后,这些研究人员发现了两个具有不同钙信号动态的新型亚群。一个亚群表现出缓慢的钙反应。在另一个亚群中,神经元具有更快的钙反应。后一个亚群有较大的PKA反应。这些研究人员认为,这种强烈的反应可能有助于维持这些神经元的长期变化。

对信号网络进行成像

这些研究人员如今计划在活体动物中尝试这种方法,这样他们就可以研究信号网络活动与行为的关系,还可以将其扩展到其他类型的细胞,如免疫细胞。这种技术对于比较来自健康组织和患病组织的细胞之间的信号网络模式也可能是有用的。

在这篇论文中,这些研究人员发现他们可以同时记录5种不同的分子信号,而且通过修改现有的策略,他们相信可以同时记录高达16种不同的分子信号。他们说,通过额外的研究工作,这个数字可能达到数百个。

Boyden说,“这真地可能有助于破解一些关于细胞各部分如何共同发挥作用的棘手问题。人们可能会想象存在这样的一个时代:我们可以观察活细胞中发生的一切,或者至少是与学习,或与疾病,或与疾病治疗有关的部分。”(医药达 1yaoda.com)

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