随着细胞执行日常功能,他们打开多种基因和细胞通路。麻省理工学院的工程师们已经诱导细胞记下这些事件在历史上很长一段蛋白质链,可以使用光学显微镜成像。
细胞编程产生这些链不断添加构建块编码特定的细胞事件。后,下令蛋白链可以与荧光分子标记和阅读在显微镜下,允许研究人员重建活动的时机。
这种技术可以帮助揭示背后的步骤记忆形成等过程,对药物治疗和基因表达。
“有很多变化发生在器官或身体的规模,在数小时,长至数周,无法跟踪随着时间的推移,”爱德华Boyden说y Eva谭教授在脑科学,生物工程教授,麻省理工学院大脑与认知科学系,霍华德休斯医学研究所研究员,麻省理工学院麦戈文脑研究所的成员和科赫研究所综合癌症研究。
如果这项技术可以扩展到较长时间的工作,它也可以用来研究过程,如衰老和疾病进展,研究人员说。
Boyden是这项研究的资深作者,发表在今天自然生物技术。前j·道格拉斯长阳Linghu Tan麦戈文研究所博士后研究员,他现在是密歇根大学的助理教授,是论文的主要作者。
手机的历史
生物系统等器官包含许多不同种类的细胞,都有独特的功能。研究这些功能的方法之一是图像蛋白质,RNA,或其他分子在细胞内部,提供提示细胞做什么。然而,大多数的方法这样做只提供的一个时刻,或不适合非常大量的细胞。
“生物系统通常是由大量的不同类型的细胞。例如,人类的大脑有860亿个细胞,”Linghu说。“要理解这些生物系统,我们需要观察生理事件随着时间的推移,这些大型细胞群。”
实现,该研究小组提出的想法记录细胞事件作为一个不断添加到一系列蛋白亚基链。创建锁链,研究人员使用工程蛋白质亚基,不常出现在活细胞,可以自组装成细丝。
研究人员设计了一个基因编码系统中,其中一个单元是不断产生细胞内,而另一个是只有当一个特定事件发生时生成的。每个亚基还包含一个非常短的肽称为一个表位标记——在这种情况下,研究人员选择标签称为HA和V5。这些标签可以绑定到一个不同的荧光抗体,使它容易可视化标签之后,确定蛋白质亚基的顺序。
在这项研究中,研究人员让生产V5-containing单元称为c-fos取决于基因的激活,这是参与编码新的记忆。HA-tagged子单元组成的链,但每当V5标记链中出现,这意味着c-fos被激活。
“我们希望用这种蛋白自组装来记录活动的每一个细胞,”Linghu说。”这不仅是一个时间点,但也记录历史,就像树的年轮如何永久存储信息随着时间的推移,随着木材。”
记录事件
在这项研究中,研究人员首先使用系统来记录c-fos激活的神经元生长在实验室培养皿。c-fos基因被激活的化学诱导激活神经元,导致V5单元被添加到蛋白质链。
探索这种方法能否在动物的大脑工作,研究人员编程对小鼠大脑细胞产生蛋白质链时,揭示动物暴露于某种特定的药物的影响。之后,研究人员能够检测到暴露通过保护组织和分析光学显微镜。
研究者们设计他们的系统是模块化的,所以可以交换不同的抗原决定基的标签,或不同类型的细胞事件可以被探测到,包括原则上,细胞分裂或激活的酶称为蛋白质激酶,帮助控制许多细胞通路。
研究人员也希望扩展记录时间,他们可以实现。在这项研究中,他们前几天成像组织记录事件。之间有一个权衡的时间,可以记录和时间分辨率,或频率的事件记录,因为蛋白质链的长度由细胞的大小是有限的。
“信息可以存储的总量是固定的,但是我们可以在原则上慢下来或增加的速度链的增长,“Linghu说。“如果我们想要记录的时间更长,我们可以减缓合成,这样它将达到细胞内的大小,假设两个星期。这样我们可以记录时间,但时间分辨率较低。”
研究人员也在研究工程系统,以便它可以记录多种类型的事件在同一链,通过增加不同的子单元,可以合并的数量。
参考:Linghu C, B,尹浩然,Shpokayte。记录的细胞生理历史沿着光读自组装蛋白质链。生物科技Nat》。2023:1-12。doi:10.1038 / s41587 - 022 - 01586 - 7
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