荧光成像技术揭示了“细胞活动的交响曲”

麻省理工学院研究人员通过将发光的记者靶向细胞内的不同位置，制定了一种多达五种不同分子的方法。这种方法可以允许科学家们更多地了解控制大多数单元函数的复杂信令网络。

荧光成像技术同时从直播电池中的多个位置捕获不同的信号类型。

在单个细胞内，数千分子，例如蛋白质，离子和其他信号分子，一起工作，以进行各种功能 - 吸收营养素，存储存储器，以及区分成特定组织。

破译这些分子和所有互动，是一种巨大的任务。在过去的20年里，科学家们已经开发出荧光记者，他们可以用来读出细胞内近分子的动态。然而，通常只能一次观察到一个或两个这样的信号，因为显微镜不能区分许多荧光颜色。

麻省理工学院研究人员现在已经开发了一种方法，通过测量在整个细胞中的随机，不同的位置的每个信号来实现多达五种不同的分子类型。这种方法可以允许科学家们对控制大多数细胞功能的复杂信令网络来说，Edware Boyden，Neurothnology和媒体艺术教授，媒体艺术和科学教授，以及脑和认知科学教授麻省理工学院。

“基因组有成千上万的分子，它们以我们不理解的方式互动。只有通过在同一时间观看他们的关系，我们也可以了解他们的关系，“Boyden说，他也是麻省理工学院麦格多恩大脑研究所和科赫综合癌症研究所研究所的成员。

在一项新的研究中，Boyden和他的同事利用这种技术来确定两种神经元的群体，这些神经元以不同的方式响应钙信号，这可能会影响他们如何编码长期记忆，这方面说。

Boyden是该研究的高级作者，该研究于2020年11月23日发表在细胞。本文的牵头作者是MIT Postdoc Changyang Linghu和研究生Shannon Johnson。

“就像从管弦乐队那里听的单个乐器的声音一样远远不够欣赏一个交响乐，”灵湖说，“通过同时启用多个蜂窝信号的观察，我们的技术将有助于我们了解”交响乐“ '细胞活动。“这四个图像比较了科学家使科学家使分子活性可见的各种方式，并在右下方的新技术。

为了使细胞内可见的分子活性，科学家通常通过融合将靶分子感测到发出的蛋白质的蛋白质来创造记者。“这类似于烟雾探测器将如何感觉到烟雾，然后闪光，然后是杨潭分子治疗学中心的家伙。最常用的发光蛋白是绿色荧光蛋白（GFP），其基于最初在荧光水母中发现的分子。

“通常，生物学家可以在显微镜上同时看到一种或两种颜色，而且有许多记者有绿色，因为它们基于绿色荧光蛋白，”Boyden说。“到目前为止缺乏什么是能够立即看到多个这些信号。”

“就像从管弦乐队那里听的单个乐器的声音一样远远不够欣赏一个交响乐，”灵湖说，“通过同时启用多个蜂窝信号的观察，我们的技术将有助于我们了解”交响乐“ '细胞活动。“

为了提高他们可以看到的信号数量，研究人员已经开始通过位置而不是颜色来识别信号。他们修改了现有的记者，使它们在单元格内的不同位置的集群中累积。它们通过向每个记者添加两名小肽来做到这一点，这有助于记者在细胞内形成明显的簇。

“这就像有记者X被拴在乐高砖上，记者Z拴在k'nex块 - 唯一的乐高砖上都会捕捉到其他乐高砖，只引起报道x更多的记者x，”约翰逊说。

利用这种技术，每个细胞最终有数百个荧光记者簇。在显微镜下测量每个簇的活性后，基于变化的荧光，研究人员可以通过保留细胞并染色对每个记者独特的肽标签来鉴定在每个簇中测量哪些分子。肽标签在活细胞中是看不见的，但在完成实时成像后可以染色和看到它们。这允许研究人员区分不同分子的信号，即使它们都可能在活细胞中的荧光相同。

使用这种方法，研究人员表明，它们可以在单个细胞中看到五种不同的分子信号。为了证明这种策略的潜在有用性，它们测量了并行钙，环状倍增糖和蛋白激酶A（PKA）的三个分子的活性。这些分子形成了一种信号网络，其涉及整个身体的许多不同的蜂窝功能。在神经元中，它在将短期输入（从上游神经元）转化为长期变化中起重要作用，例如加强神经元之间的连接 - 一种用于学习和形成新存储器所需的过程。

研究人员将这种成像技术应用于海马在海马的金字塔神经元中，确定了两种具有不同钙信号动态的新型群。一人数表现出缓慢的钙反应。在其他人口中，神经元具有更快的钙响应。后一种群体具有较大的PKA响应。研究人员认为，这种提升的反应可能有助于维持神经元的长期变化。

成像信令网络

研究人员现在计划在生活动物中尝试这种方法，以便他们可以研究信号网络活动如何与行为有关，也可以将其扩展到其他类型的细胞，例如免疫细胞。该技术也可用于比较来自健康和患病组织之间的信令网络模式。

在本文中，研究人员显示他们可以立即记录五种不同的分子信号，并通过修改现有的策略，他们认为他们最多可以获得16。他们说，随着额外的工作，该数字可以达到数百人。

“这可能有助于破解一些关于细胞的部件如何一起工作的这些棘手问题，”Boyden说。“当我们可以观看在活细胞中的一切或至少参与学习或疾病的部分或治疗疾病时，人们可能会想象一个时代。”

读取实时间谍在蜂窝信号的交响曲中，以便在这项研究中推动生物学。

参考：Changyang Linghu，Shannon L. Johnson，Pablo A. Valdes，Or. Shemesh，Minian Park，Demian Park，Kiryl D.Piatkevich，Asmamaw T. Wassie，Asmamaw T. Wassie，Yixi Liu，Yixi Piatie，Yixi Piatie，Yixi Piatkevich，Asmamaw T. Wassie，艾西普·罗克·瓦斯·瓦尔斯，刘sh ，Bobae An，Stephanie A. Barnes，Orhan T.Celiker，Chun-Chen Yao，Chih-Chieh（Jay）Yu，Ru Wang，Katarzyna P.Adamala，Mark F. Bear，Amy E. Keating和Edward S. Boyden， 11月23日2020年，Cell.doi
:: 10.1016 / J.Cell.2020.10.035

该研究由McGovern Institute奖学金的朋友资助; J. Douglas Tan奖学金;丽莎杨;阳潭分子治疗中心;约翰·莫特;公开慈善项目; Hhmi-Simons教师学者计划;人体前沿科学计划;美国陆军研究实验室;麻省理工学院媒体实验室;彩虹研究所创新基金;国家卫生研究院，包括NIH导演的先锋奖;和国家科学基金会。