Cell：新方法能够对活细胞内的动态信号网络进行成像观察

活细胞受到多种分子信号的轰击，从而会影响它们的行为。如果能够测量这些信号以及细胞如何通过下游分子信号网络对它们做出反应，就能帮助科学家们更多地了解细胞是如何发挥作用的，包括当细胞衰老或患病时会发生什么。

目前，这样的全面研究还不可能实现，因为目前的细胞成像技术仅限于同时对细胞内的少数不同分子类型进行成像。然而，在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法，可以同时观察到多达七种不同的分子，甚至可能比这更多。相关研究结果发表在2023年12月8日的Cell期刊上，论文标题为“Temporally multiplexed imaging of dynamic signaling networks in living cells”。

论文通讯作者、麻省理工学院神经技术教授Edward Boyden说，“在生物学中，有许多例子表明，一个事件会引发一长串下游事件，进而导致特定的细胞功能。这是如何发生的？这可以说是生物学的基本问题之一，因此我们想知道，你能不能简单地观察它的发生？”论文第一作者为麻省理工学院博士后Yong Qian。

这种新方法利用了以不同速率闪烁的绿色或红色荧光分子。通过对细胞进行数秒、数分钟或数小时的成像，然后利用计算算法提取每个荧光信号，就能跟踪每种靶蛋白随时间变化的数量。

荧光信号

用荧光蛋白标记细胞内的分子使得人们能够大量了解许多细胞分子的功能。这类研究通常使用绿色荧光蛋白（GFP），该蛋白在 20 世纪 90 年代首次用于成像。从那时起，又开发了几种能发出其他颜色光的荧光蛋白用于实验。

然而，典型的光学显微镜只能分辨出其中的两到三种颜色，因此科学家们只能窥见细胞内发生的整体活动。如果能追踪更多的标记分子，人们就能测量脑细胞在学习过程中对不同神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。

Boyden说，“理想情况下，你可以实时观察细胞内的信号波动，然后了解它们之间的关系。这将告诉你细胞是如何计算的。问题是，你无法同时观察很多东西。”

2020 年，Boyden实验室开发出一种方法，通过将发光报告分子靶向细胞内的不同位置，同时对细胞内的多达五种不同分子进行成像。这种称为“空间多路复用（spatial multiplexing）”的方法能让人们分辨出不同分子的信号，即使它们发出的荧光颜色相同。

在这项新的研究中，这些作者采用了一种不同的方法：他们没有根据信号的物理位置来区分信号，而是构建了随时间变化的荧光信号。这种技术依赖于“可切换的荧光团（switchable fluorophores）”---以特定速率开启和关闭的荧光蛋白。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.11.010。

在这项新的研究中，Boyden和他的研究团队确定了四种可切换的绿色荧光团，然后又设计了另外两种，它们都以不同的速率开启和关闭。他们还发现了两种以不同速率开启和关闭的红色荧光蛋白，并设计了另外一种红色荧光团。

每种可切换的荧光团都可以用来标记活细胞内不同类型的分子，如酶、信号蛋白或细胞骨架的一部分。在对细胞进行数分钟、数小时甚至数天的成像后，他们使用一种计算算法，挑选出来自每种荧光团的特定信号，这类似于人耳挑选出不同频率的声音。Boyden说，“在交响乐团中，有长笛等高音乐器，也有大号等低音乐器。中间是小号等乐器。它们都有不同的声音，而我们的耳朵会把它们分选出来。”

这些作者用来分析荧光团信号的数学技术被称为线性分离（linear unmixing）。这种方法可以提取不同的荧光团信号，类似于人耳使用一种称为傅立叶变换的数学模型来提取乐曲中的不同音高。

分析完成后，这些作者就能看到在整个成像过程中，细胞中每个荧光标记分子出现的时间和位置。成像本身只需一台简单的光学显微镜即可完成，无需专业设备。

生物现象

在这项新的研究中，这些作者通过标记哺乳动物细胞中参与细胞分裂周期的六种不同分子，展示了他们的方法。这样，他们就能确定细胞周期素依赖性激酶的水平随着细胞周期的进展是如何变化的。

这些作者还发现，他们还能标记其他类型的几乎涉及细胞信号传导的方方面面的激酶，还能标记细胞结构和细胞器，如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室培养皿中培养的哺乳动物细胞进行实验外，他们还证实这种技术可以在斑马鱼幼体的大脑中发挥作用。

根据这些作者的说法，这种方法可能有助于观察细胞如何对营养物、免疫系统因子、激素或神经递质等任何输入做出反应。它还可能用来研究细胞如何对基因表达的变化或基因突变做出反应。所有这些因素都在生长、衰老、癌症、神经变性和记忆形成等生物现象中发挥着重要作用。

Boyden说，“你可能认为所有这些现象都代表了一类普遍的生物问题，即某些短期事件（如摄入营养物、学习某些知识或受到感染）会产生长期变化。”

除了进行这些类型的研究，Boyden实验室还在努力扩大可切换的荧光团的种类，以便研究细胞内的更多信号。他们还希望调整该系统，使它能用于小鼠模型。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Yong Qian et al. Temporally multiplexed imaging of dynamic signaling networks in living cells. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.11.010.

A new way to see the activity inside a living cell
https://phys.org/news/2023-11-cell.html