當(dāng)細(xì)胞執(zhí)行日常功能時(shí)，它們會(huì)開(kāi)啟各種基因和細(xì)胞通路。麻省理工學(xué)院的工程師們現(xiàn)在已經(jīng)誘導(dǎo)細(xì)胞將這些事件的歷史記錄在一條可以用光學(xué)顯微鏡成像的長(zhǎng)蛋白質(zhì)鏈中。

被編程產(chǎn)生這些鏈的細(xì)胞不斷添加編碼特定細(xì)胞事件的構(gòu)建塊。隨后，這些有序的蛋白質(zhì)鏈可以用熒光分子標(biāo)記，并在顯微鏡下讀取，使研究人員能夠重建事件發(fā)生的時(shí)間。

這項(xiàng)技術(shù)可以幫助闡明記憶形成、對(duì)藥物治療的反應(yīng)和基因表達(dá)等過(guò)程的基礎(chǔ)步驟。

Edward Boyden霍華德醫(yī)學(xué)研究所研究員，麻省理工學(xué)院麥戈文大腦研究所和科赫綜合癌癥研究所的成員愛(ài)德華·博伊登說(shuō):“在器官或身體尺度上，有很多變化發(fā)生在幾小時(shí)到幾周的時(shí)間里，這些變化是無(wú)法隨著時(shí)間追蹤的?！毖芯咳藛T說(shuō)，如果這項(xiàng)技術(shù)可以延長(zhǎng)工作時(shí)間，它也可以用于研究衰老和疾病進(jìn)展等過(guò)程。Boyden是這項(xiàng)研究的資深作者，該研究發(fā)表在今天的《Nature Biotechnology》雜志上。前麥戈文研究所J. Douglas Tan博士后研究員Changyang Linghu是該論文的第一作者。

生物系統(tǒng)，如器官，包含許多不同種類的細(xì)胞，它們都有不同的功能。研究這些功能的一種方法是對(duì)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、RNA或其他分子進(jìn)行成像，這可以為細(xì)胞的活動(dòng)提供線索。然而，大多數(shù)這樣做的方法只提供了一個(gè)瞬間的一瞥，或者對(duì)非常大的細(xì)胞群不起作用。

“生物系統(tǒng)通常由大量不同類型的細(xì)胞組成。例如，人腦有860億個(gè)細(xì)胞。”Linghu說(shuō)。“為了了解這些生物系統(tǒng)，我們需要觀察這些大細(xì)胞群中隨著時(shí)間的推移發(fā)生的生理事件?！?/p>

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究小組提出了將細(xì)胞事件記錄為一系列不斷添加到鏈上的蛋白質(zhì)亞基的想法。為了創(chuàng)造它們的鏈，研究人員使用了工程蛋白亞基，這種亞基通常不存在于活細(xì)胞中，可以自組裝成長(zhǎng)絲。

研究人員設(shè)計(jì)了一種基因編碼系統(tǒng)，其中一種亞基在細(xì)胞內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生，而另一種只在特定事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生。每個(gè)亞基還包含一個(gè)非常短的肽，稱為表位標(biāo)簽——在這種情況下，研究人員選擇了稱為HA和V5的標(biāo)簽。這些標(biāo)簽中的每一個(gè)都可以結(jié)合到不同的熒光抗體上，這樣就可以很容易地看到標(biāo)簽，并確定蛋白質(zhì)亞基的序列。

在這項(xiàng)研究中，研究人員將含有v5的亞基的產(chǎn)生取決于一種名為c-fos的基因的激活，這種基因與編碼新記憶有關(guān)。ha標(biāo)記的亞基構(gòu)成了鏈的大部分，但只要V5標(biāo)記出現(xiàn)在鏈中，就意味著c-fos在這段時(shí)間被激活了。

Linghu說(shuō):“我們希望利用這種蛋白質(zhì)自我組裝來(lái)記錄每個(gè)細(xì)胞的活動(dòng)。它不僅是時(shí)間的快照，還記錄了過(guò)去的歷史，就像樹(shù)木年輪隨著時(shí)間的推移可以永久存儲(chǔ)信息一樣?！?/p>

在這項(xiàng)研究中，研究人員首先使用他們的系統(tǒng)記錄了在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的神經(jīng)元中c-fos的激活情況。c-fos基因通過(guò)化學(xué)誘導(dǎo)神經(jīng)元的激活被激活，這導(dǎo)致V5亞基被添加到蛋白質(zhì)鏈中。

為了探索這種方法是否適用于動(dòng)物的大腦，研究人員對(duì)小鼠的腦細(xì)胞進(jìn)行編程，使其產(chǎn)生蛋白質(zhì)鏈，從而揭示動(dòng)物何時(shí)接觸到特定的藥物。后來(lái)，研究人員通過(guò)保存組織并用光學(xué)顯微鏡分析來(lái)檢測(cè)暴露。

研究人員將他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模塊化，這樣就可以交換不同的表位標(biāo)簽，或者可以檢測(cè)到不同類型的細(xì)胞事件，原則上包括細(xì)胞分裂或蛋白質(zhì)激酶的激活，這些酶有助于控制許多細(xì)胞通路。

研究人員還希望延長(zhǎng)他們所能實(shí)現(xiàn)的記錄時(shí)間。在這項(xiàng)研究中，他們?cè)诮M織成像前記錄了幾天的事件。在可以記錄的時(shí)間量和時(shí)間分辨率或事件記錄的頻率之間存在權(quán)衡，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)鏈的長(zhǎng)度受限于細(xì)胞的大小。

Linghu說(shuō):“它能存儲(chǔ)的信息總量是固定的，但原則上我們可以減慢或加快鏈的增長(zhǎng)速度。如果我們想記錄更長(zhǎng)的時(shí)間，我們可以放慢合成速度，讓它在兩周內(nèi)達(dá)到細(xì)胞的大小。這樣我們就可以記錄更長(zhǎng)的時(shí)間，但時(shí)間分辨率更低?！?/p>

研究人員還致力于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，通過(guò)增加可以合并的不同子單元的數(shù)量，使其可以在同一鏈中記錄多種類型的事件。

Changyang Linghu, Bobae An, Monika Shpokayte, Orhan T. Celiker, Nava Shmoel, Ruihan Zhang, Chi Zhang, Demian Park, Won Min Park, Steve Ramirez, Edward S. Boyden. Recording of cellular physiological histories along optically readable self-assembling protein chains. Nature Biotechnology, 2023