MIT大牛Cell最新成果:記錄細胞信號交響曲

【字體: 時間:2020年11月24日 來源:生物通

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  一種新的成像技術使科學家可以檢測到細胞內傳遞的大量信息,了解潛在的一切。。。

  

迄今為止大多數科學家一次只能看到一個或兩個細胞內信號,最近來自麻省理工,霍華德·休斯醫學研究所的研究人員采用一種新方法,實時觀測到了任意數量的信號,這意味著科學家們將能比以往任何時候更詳細地了解細胞內部的情況。

這一成果公布在11月23日Cell雜志上,由MIT著名科學家Ed Boyden研究員領導完成,Boyden和斯坦福大學的Karl Deisseroth是開發光遺傳學技術的主要功臣,2005年他們合作在Nature Neuroscience雜志上發表的文章被視為光遺傳學誕生的標志。

他表示:“這一技術可以應用于揭秘各種各樣的生物奧秘,”由于信號傳導參與了所有生物過程,因此更好的研究這些信號,將能闡明包括從阿爾茨海默氏病到糖尿病,再到癌癥等多種疾病的作用機制。

哈佛醫學院的神經生物學家Clifford Woolf(未參與該項研究)說,這一團隊的新方法是一項突破,Woolf計劃用它來檢查疼痛感應神經元如何在受傷或疾病中變得更加敏感。“利用新的成像技術,我們可以以前所未有的方式分解細胞中發生的一切。”

在細胞內,信號傳遞脈沖能引發多種分子信號的爆發。Boyden將這個過程描述為小組對話。他說:“一個單元中的信號就像一群人試圖決定晚上該做什么:他們考慮了很多可能性,然后決定要集體做什么。”

這些細胞的溝通討論促使例如神經元編碼記憶或使細胞變癌,這個過程當然很重要,但是科學家們迄今為止對這些信號如何協同工作,指導細胞行為并不清楚。

為了觀察細胞信號,科學家通常引入編碼與熒光蛋白連接的傳感器基因。這些報告分子感知信號,然后在顯微鏡下發出特定的顏色。研究人員可以為每個信號使用不同的顏色報告器,區分信號。但是,用顯微鏡可以區分的顏色來尋找信號并不容易,一個典型的對話可能涉及數十個信號或更多信號。

Boyden實驗室的Changyang Linghu和Shannon Johnson克服了這一限制,將報告分子固定在類似于樂高積木的自組裝小蛋白上。這些小蛋白質“聚集在一起”,形成簇,像小島一樣隨機散布在整個細胞中。每個簇在顯微鏡下以發光點的形式出現,僅報告一種細胞信號。“這就像有些島上有溫度計來報告溫度,而有些島上有氣壓計來測量壓力。”

在神經元實驗中,研究小組創建了一個簇,每個簇在檢測到五個不同信號之一(包括鈣離子和其他重要信號分子)時就會發光。在對活細胞成像后,研究人員將分子標記貼在發光點上,識別位于此處的報告分子。通過計算機分析,研究小組根據點代表的是鈣還是其他信號,將點變為洋紅色,黃色和其它顏色。這樣一來,他們就可以查看在cell內部打開和關閉了哪些信號。

一次性可以檢測這么多信號,因此研究人員可以弄清楚每種信號之間的關系。 Linghu說:“解決這種關系可以幫助科學家理解復雜的過程,例如學習。”

他把一個細胞比作一個樂團,它們就像是在演奏交響樂。“僅通過聽一種樂器就很難充分欣賞交響樂。”而通過這項新技術使科學家可以同時觀察多個信號,因此“我們可以理解細胞活動的交響曲”。

研究小組估計,用他們的技術可以檢測多達16個信號,但是基因工程技術的改進可以大大提高這一數字。“可能會看到數十個,數百個甚至更多的信號。下一個挑戰是將所有這些信號的傳感器放入細胞中。”

(生物通)

原文標題:

Changyang Linghu, Shannon L. Johnson et al. "Spatial multiplexing of fluorescent reporters for dynamic imaging of signal transduction networks." Cell. Published online November 23, 2020. doi: 10.1016/j.cell.2020.10.035



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