德國馬克斯·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的蛋白質(zhì)記錄器，可在多個時段進行記錄。這一方法可擴展且適用于記錄各種生物活動，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)胞事件對于闡明生物機制至關(guān)重要。目前，對組織中的細(xì)胞進行大多數(shù)記錄是通過將事件與報告基因的轉(zhuǎn)錄或使用CRISPR/Cas工具進行關(guān)聯(lián)。然而，細(xì)胞活動與記錄之間的耦合只是間接的。

記錄瞬時細(xì)胞事件的理想方法是直接在整個組織中同時訪問大量細(xì)胞，并且在優(yōu)秀的時空分辨率下完成。此外，為了對瞬時細(xì)胞事件進行大規(guī)模并行分析，將記錄與分析分離是至關(guān)重要的；這涉及將瞬時事件轉(zhuǎn)化為未來分析的永久標(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，通過對活體標(biāo)本的照明來控制記錄。這些方法提供了出色的時空分辨率。其中一個例子是CaMPARI生物傳感器，可用于記錄不同模式生物中的神經(jīng)活動。當(dāng)在高Ca2+水平下照明時，它會發(fā)生不可逆的顏色變化。

使用化學(xué)探針對細(xì)胞進行活動標(biāo)記是不使用光的替代方法。理想的、高度滲透性且無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。因此，它可以與前述方法一起使用。然而，目前的活動基礎(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Magnus-Carsten Huppertz和Jonas Wilhelm以及同事們開發(fā)了Split-HaloTag——在特定細(xì)胞活動和熒光底物的存在下會被標(biāo)記的蛋白質(zhì)。熒光底物和瞬時細(xì)胞活動的結(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)計記錄器，以捕捉稍后分析的瞬時事件。

熒光底物的加入和洗脫確定了記錄時段。這些步驟之前或之后的任何活動都不會影響記錄器的標(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)記錄不同的時間間隔。Split-HaloTag記錄器允許對細(xì)胞活動進行空間分辨率記錄，因為感興趣的活動會激活它們并可定向到特定的細(xì)胞位置。

由于熒光信號在數(shù)天內(nèi)可檢測并且對固定策略具有抵抗力，這種方法可以輕松擴展到同時分析大量細(xì)胞或生物體。此外，熒光信號的持久性使得通過記錄器標(biāo)記進行細(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)計用于Ca2+依賴性蛋白標(biāo)記（Caprola）的split-HaloTag記錄器的實驗中得到驗證。Huppertz和Wilhelm使用Caprola記錄了斑馬魚幼魚和成年蠅的神經(jīng)活動。他們還基于它們的Ca2+水平對各種細(xì)胞群體進行了排序和分析轉(zhuǎn)錄組。鑒于Ca2+信號的廣泛使用和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)作者的說法，通過利用其他基于蛋白的熒光生物傳感器的設(shè)計原則，應(yīng)該可以設(shè)計用于其他細(xì)胞活動的記錄器。這是因為生物記錄的設(shè)計原則將細(xì)胞活動與split-HaloTag的兩個組分的增加親近聯(lián)系起來。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了大門。

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

編輯：王洪

排版：李麗