在单个细胞中，成千上万的分子(如蛋白质、离子等信号分子)共同发挥着各种功能——吸收营养、储存记忆和分化为特定组织等。解密这些分子及其相互作用是一项艰巨的任务。在过去的20年里，科学家们开发了荧光报告仪，可以用来读取细胞中单个分子的动态。然而，通常一次只能观察到一两个这样的信号，因为显微镜无法区分许多荧光颜色。
麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种方法，通过随机测量整个细胞中不同位置的每个信号，一次成像多达五种不同的分子类型。Y. Eva Tan的神经技术教授、生物工程、媒体艺术与科学、大脑与认知科学教授爱德华博伊登(Edward Boyden)表示，这种方法可以让科学家更多地了解控制大多数细胞功能的复杂信号网络。麻省理工学院。
麻省理工学院的成员Boyden说：“基因组编码成千上万个分子，它们以我们不理解的方式相互作用。只有同时观察它们，我们才能理解它们之间的关系。”麦戈文脑科学研究所和科赫综合癌症研究所。
研究人员表示，在一项新的研究中，Boyden和他的同事使用这种技术来识别两组以不同方式对钙信号做出反应的神经元，这可能会影响它们编码长期记忆的方式。
Boyden是这项研究的资深作者，这项研究发表在今天的《细胞》杂志上。这篇论文的主要作者是麻省理工学院博士后杨令虎和研究生香农约翰逊。
荧光团簇
为了使分子活性在细胞中可见，科学家通常通过将传感靶分子的蛋白质与发光蛋白质融合来创建报告基因。约翰杨说：“这类似于烟雾探测器感知烟雾，然后发出闪光的方式。”约翰逊还是谭洋分子治疗中心的研究员。最常用的发光蛋白是绿色荧光蛋白(GFP)，它是基于最初在荧光水母中发现的分子。
Boyden说：“通常情况下，生物学家在显微镜下可以同时看到一种或两种颜色，许多记者是绿色的，因为它们是基于绿色荧光蛋白。”“到目前为止，还缺乏同时看到一个以上这些信号的能力。”
令狐说：“就像听管弦乐队的单个乐器的声音一样，远远不足以完全欣赏交响乐。”通过同时观察多个细胞信号，我们的技术将帮助我们理解交响乐。细胞活动。"
为了增加他们能看到的信号数量，研究人员开始通过位置而不是颜色来识别信号。他们修改了现有的报告分子，使其聚集在一个单位内的不同位置。他们通过在每个报告分子中添加两个小肽来做到这一点，这有助于报告分子在细胞中形成不同的簇。
约翰逊说：“这就像把记者X绑在乐高积木上，而记者Z绑在K'NEX积木上。只有乐高积木才能接住其他乐高积木，这就导致了只有记者X才能和更多的记者X聚在一起.”。
通过这种技术，每个细胞最终将拥有数百个荧光报告簇。在显微镜下测量每个簇的活性后，基于变化的荧光，研究人员可以通过保存细胞和染色每个报告基因的独特肽标签来确定每个簇中正在测量的分子。肽标签在活细胞中是不可见的，但是它们可以在活体成像完成后被染色和观察。这使得研究人员能够区分不同分子的信号，即使它们在活细胞中发出相同的颜色。
研究人员用这种方法表明，他们可以在一个细胞中看到五种不同的分子信号。为了证明这一策略的潜在用途，他们测量了三个平行分子中的钙、环腺苷酸和蛋白激酶A的活性。这些分子形成信号网络，与全身许多不同的细胞功能有关。在神经元中，它在将短期输入(来自上游神经元)转化为长期变化(如加强神经元之间的联系)中起着重要作用，这是学习和形成新记忆的必要过程。
在将这种成像技术应用于海马锥体神经元后，研究人员确定了两个具有不同钙信号动力学的新亚组。一群人对钙反应迟钝。在其他人群中，神经元对钙的反应更快。后者人群的PKA反应较大。研究人员认为，这种增强的反应可能有助于维持神经元的长期变化。
成像网络
现在，研究人员计划在活体动物中尝试这种方法，以便研究信号网络活动和行为之间的关系，并将其扩展到其他类型的细胞，如免疫细胞。该技术也可用于比较健康组织和患病组织的细胞之间的信号网络模式。
他们说，在这篇论文中，研究人员展示了他们可以一次记录五种不同的分子信号，通过修改现有的策略，他们相信它们可以达到16种。额外的工作，这个数字可以达到数百。
Boyden说：“这可能确实有助于解决一些棘手的问题，这些问题涉及细胞的所有部分如何协同工作。”“人们可以想象一个时代，我们可以看到活细胞中的一切，或者至少是与学习、疾病或疾病治疗相关的部分。”
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