▎药明康德内容团队编辑上世纪60年代，日本科学家下村脩从一种北美西海岸的发光水母（Aequorea victoria）中，纯化和提取出了绿色荧光蛋白（GFP），这种蛋白随后在生物学研究领域引起了一场革命性的变化。在那之前，科学家想要观察细胞内部的具体活动几乎是不可能的，因为他们缺乏能指示特定目标所处状态的手段。而GFP的出现，成为了点亮细胞内部的明灯。在下村发表工作成果30年后，GFP首次于1994年用于荧光成像，并登上了《科学》杂志封面。在后续更多的应用中，研究者只需要将GFP序列搭载在能结合目标分子的基因序列后，就能形成用于指示目标存在状态的报告基因。在细胞内部中，报告基因与目的基因相连后，就能通过绿色荧光来显示目标产物的信号。▲1994年2月的《科学》杂志以封面文章的形式报道了GFP实验结果（图片来源：Science官网）近30年，这种成像方法成为我们了解细胞内部如何工作的基础，尤其是帮助观察细胞衰老、癌变或病变时的特定分子表达变化，以此找到治疗疾病的靶点。但随着细胞生物学的深入，这种方式的局限性也在显现。通常细胞活动的时候信号是复杂的，一个信号从上游走向下游可能会经历复杂的分子网络，用GFP标记、观察一种分子的方式就会不够全面，一些不同颜色的荧光蛋白可以作为补充，但科学家仍然需要新的方法来同时观测多个分子的变化。2020年，麻省理工学院的Edward Boyden教授提出了一种“空间复合成像”（Spatial Multiplexed Imaging，SMI）的方式，他构建出了一种新的报告基因方式，在荧光蛋白之外额外添加了一段多肽，此举让报告基因会根据细胞不同的位置形成积累，这样能在同色荧光下形成不同的荧光簇。Boyden教授通过这种方法，在显微镜下观察了不同簇的荧光活动，一次性检测了细胞中5种分子的信号。在最新一期的《细胞》杂志上，Boyden教授和同事再次带来了新突破，这一次他们不再以空间为条件，而是修改了荧光团打开与关闭的速率，也被称作“可切换式荧光团”，从而创建出随时间变化的荧光信号。因此，新技术也被称作时间复合成像（Temporally Multiplexed Imaging，TMI）。新研究共鉴定出了4种绿色和2种红色可切换荧光团，这些荧光都会以不同的速率发出信号。这些报告基因可以用来指示活细胞中的不同分子，包括酶、信号蛋白，或者一些骨架蛋白。通过对细胞进行实时成像，无论是几分钟还是几小时的信号，都会由算法进行分析，即用不同的光转换速率来代表不同的生物信号。作者将这一过程比作听一场交响乐，我们的耳朵可以根据声音的音调和频率区分交响乐中的音部，而算法就是根据荧光的发光频率来区分信号。在算法处理后，作者可以看到在成像期间，不同荧光标记分子出现的时间和位置。他们用这种方式同时检测了细胞分裂周期中的6种不同分子，主要观察了在细胞周期中，周期依赖激酶的实时变化模式。除了在细胞实验中使用，这种新技术还能应用于对斑马鱼的脑部观察。▲实验一次性获得了多个分子的信号（图片来源：参考资料[3]）在更多的测试中，研究最多实现了同时在相同细胞中观测7种分子信号。作者表示，这种新技术可以观察细胞在面对外界刺激时的一系列生理反应，并且可以根据不同的需求来观察营养代谢分子、免疫系统因子或者神经递质的变化。[1] A new way to see the activity inside a living cell. Retrieved November 29, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1009182?[2] Imaging method reveals a “symphony of cellular activities”. Retrieved November 29, 2023 from https://news.mit.edu/2020/cell-imaging-signals-1123[3] Temporally multiplexed imaging of dynamic signaling networks in living cells. Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.11.010本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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