德國(guó)馬克斯·普朗克醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家們成功研發(fā)出一種能夠捕捉和分析生物活動(dòng)的蛋白質(zhì)記錄器，可在多個(gè)時(shí)段進(jìn)行記錄。這一方法可擴(kuò)展且適用于記錄各種生物活動(dòng)，如蛋白質(zhì)相互作用、G蛋白偶聯(lián)受體的激活以及體內(nèi)胞內(nèi)鈣濃度的增加。

研究論文《用化學(xué)標(biāo)記記錄細(xì)胞的生理歷史（Recording physiological history of cells with chemical labeling）》今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

直接、連續(xù)和順序

記錄短暫的細(xì)胞事件對(duì)于闡明生物機(jī)制至關(guān)重要。目前，對(duì)組織中的細(xì)胞進(jìn)行大多數(shù)記錄是通過(guò)將事件與報(bào)告基因的轉(zhuǎn)錄或使用CRISPR/Cas工具進(jìn)行關(guān)聯(lián)。然而，細(xì)胞活動(dòng)與記錄之間的耦合只是間接的。

記錄瞬時(shí)細(xì)胞事件的理想方法是直接在整個(gè)組織中同時(shí)訪問(wèn)大量細(xì)胞，并且在優(yōu)秀的時(shí)空分辨率下完成。此外，為了對(duì)瞬時(shí)細(xì)胞事件進(jìn)行大規(guī)模并行分析，將記錄與分析分離是至關(guān)重要的；這涉及將瞬時(shí)事件轉(zhuǎn)化為未來(lái)分析的永久標(biāo)記。然而，目前缺乏符合這些要求的方法。

使用光學(xué)和光遺傳學(xué)方法可以直接記錄原位和事后分析細(xì)胞活動(dòng)，通過(guò)對(duì)活體標(biāo)本的照明來(lái)控制記錄。這些方法提供了出色的時(shí)空分辨率。其中一個(gè)例子是CaMPARI生物傳感器，可用于記錄不同模式生物中的神經(jīng)活動(dòng)。當(dāng)在高Ca2+水平下照明時(shí)，它會(huì)發(fā)生不可逆的顏色變化。

使用化學(xué)探針對(duì)細(xì)胞進(jìn)行活動(dòng)標(biāo)記是不使用光的替代方法。理想的、高度滲透性且無(wú)害的探針的加入和洗脫決定了該方法的記錄窗口，它可以直接記錄感興趣的活動(dòng)。因此，它可以與前述方法一起使用。然而，目前的活動(dòng)基礎(chǔ)化學(xué)標(biāo)記方法既不適合連續(xù)記錄，也不允許記錄大量連續(xù)事件。

彩繪中的生物活性

共同作者M(jìn)agnus-Carsten Huppertz和Jonas Wilhelm以及同事們開(kāi)發(fā)了Split-HaloTag——在特定細(xì)胞活動(dòng)和熒光底物的存在下會(huì)被標(biāo)記的蛋白質(zhì)。熒光底物和瞬時(shí)細(xì)胞活動(dòng)的結(jié)合，比如蛋白質(zhì)間的相互作用或細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的增加，可用于有理設(shè)計(jì)記錄器，以捕捉稍后分析的瞬時(shí)事件。

熒光底物的加入和洗脫確定了記錄時(shí)段。這些步驟之前或之后的任何活動(dòng)都不會(huì)影響記錄器的標(biāo)記。由于各種顏色的熒光底物readily available，因此可以在同一樣本或生物體內(nèi)記錄不同的時(shí)間間隔。Split-HaloTag記錄器允許對(duì)細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行空間分辨率記錄，因?yàn)楦信d趣的活動(dòng)會(huì)激活它們并可定向到特定的細(xì)胞位置。

由于熒光信號(hào)在數(shù)天內(nèi)可檢測(cè)并且對(duì)固定策略具有抵抗力，這種方法可以輕松擴(kuò)展到同時(shí)分析大量細(xì)胞或生物體。此外，熒光信號(hào)的持久性使得通過(guò)記錄器標(biāo)記進(jìn)行細(xì)胞分選和隨后的轉(zhuǎn)錄組分析成為可能。

所有這些特性都在使用設(shè)計(jì)用于Ca2+依賴性蛋白標(biāo)記（Caprola）的split-HaloTag記錄器的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。Huppertz和Wilhelm使用Caprola記錄了斑馬魚(yú)幼魚(yú)和成年蠅的神經(jīng)活動(dòng)。他們還基于它們的Ca2+水平對(duì)各種細(xì)胞群體進(jìn)行了排序和分析轉(zhuǎn)錄組。鑒于Ca2+信號(hào)的廣泛使用和HaloTag標(biāo)記在許多模型系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，Caprola有望在生物學(xué)的不同領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

根據(jù)作者的說(shuō)法，通過(guò)利用其他基于蛋白的熒光生物傳感器的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)該可以設(shè)計(jì)用于其他細(xì)胞活動(dòng)的記錄器。這是因?yàn)樯镉涗浀脑O(shè)計(jì)原則將細(xì)胞活動(dòng)與split-HaloTag的兩個(gè)組分的增加親近聯(lián)系起來(lái)。split-HaloTag系統(tǒng)為在生物領(lǐng)域連接細(xì)胞生理學(xué)與表型的新記錄器打開(kāi)了大門(mén)。

參考文獻(xiàn)：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0812

編輯：王洪

排版：李麗