Cell：利用新型生物传感条形码破解癌细胞的信号传导系统

2021年12月7日讯/生物谷BIOON/---自从1974年首个条形码出现在一包口香糖上以来，这个如今无处不在的系统已经使制造商、零售商和消费者能够快速有效地识别、描述、定位和跟踪产品和材料。在一项新的研究中，来自美国约翰霍普金斯大学的研究人员展示了他们如何在分子水平上做同样的事情：通过使用一种不同的条形码系统---一种由图案和颜色的组合组成的条形码系统，每个组合都与通信网络中的特定生化活动相关---研究癌细胞彼此“交谈”的方式。相关研究结果于2021年11月26日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Deciphering cell signaling networks with massively multiplexed biosensor barcoding”。

论文通讯作者、约翰霍普金斯大学医学院病理学助理教授Chuan-Hsiang (Bear) Huang博士说，“当癌细胞进行沟通时，许多蛋白不断改变它们彼此之间的互动方式。深入和实时地研究这种信号传导在传统上是困难的，因此我们需要一种能够同时对这种信号传导网络中发生的一切进行成像、跟踪和分析的方法，从而揭示这些活动之间的真正关系。”

Huang说，基因编码的荧光生物传感蛋白以前被用来研究细胞蛋白功能，包括癌细胞中的信号传导活动。这些生物传感蛋白是经过荧光团标记的蛋白片段，其中荧光团是通过吸收特定波长（一种颜色）的光能然后发射较长波长（另一种颜色）的光的荧光分子，每种颜色都与细胞中的特定活动有关。使用荧光显微镜对这些生物传感蛋白表现出的光颜色的类型、位置和强度进行成像，科学家们就可以准确无误地记录不同细胞区域中发挥作用的蛋白。

Huang说，“比如，特定颜色光强度的变化、它们在细胞内的位置以及一种颜色与另一种颜色的比例，都阐明了被研究的蛋白的活动水平以及它们如何实时地相互作用。”

然而，Huang说，当研究人员需要追踪像癌细胞通信网络这样的复杂系统时，荧光生物传感蛋白的用途受到了限制。他解释说，这是因为不同的荧光生物传感蛋白往往具有非常相似的颜色，在一起成像时无法相互区分。

论文第一作者、约翰霍普金斯大学医学院副研究员Jr-Ming Yang博士说，“在过去，如果你想看几十个跟踪信号传导网络中不同蛋白活动的生物传感蛋白，每个生物传感蛋白都必须在持续数小时的单独实验中进行成像。此外，为了了解这个通信网络的特性，这些实验必须重复进行。除了时间上的投入，单独的成像运行增加了差错出现的可能性，使我们很难确定活动的变化是来自真实的影响。”

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.11.005。

Huang和他的同事们通过结合不同颜色和定位模式的荧光蛋白来构建“生物传感条形码（biosensor barcode）”来克服这些问题，这可以同时识别和跟踪大量的针对多种蛋白---包括那些驱动癌症形成的蛋白---的生物传感蛋白。

Huang说，“为了平行追踪多种信号传导蛋白的活动，我们将不同的生物传感蛋白与单个细胞中的特定条形码配对，然后使用延时显微镜对它们进行混合和成像。由于每个细胞都有不同的条形码，我们也可以用这种方法来识别混合中的不同细胞群体，并研究它们如何相互沟通。”

Huang说，通过成像获得的图片是用论文共同作者Wei-Yu Chi博士构建的人工智能机器学习系统进行分析的。Chi是Huang实验室的一名博士后研究员。

Chi说，“人工智能分析使我们能够在几秒钟内而不是几小时内读取这些条形码，这是观察到不同蛋白的活动如何随时间同步化的关键一步。”

Huang说，“通过使用生物传感条形码，我们希望获得比以往更多的见解和更全面的观点，了解致癌基因[启动癌细胞产生的基因]如何影响癌细胞之间的沟通，以及如何与其他信号传导网络---如免疫系统使用的信号传导网络---沟通。这些发现可能有助于指导新的干预和治疗。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jr-Ming Yang et al. Deciphering cell signaling networks with massively multiplexed biosensor barcoding. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.11.005.