在单个细胞内，成千上万的分子(例如蛋白质，离子和其他信号分子)共同发挥各种功能-吸收营养，存储记忆并分化为特定组织等。解密这些分子及其所有相互作用是一项艰巨的任务。在过去的20年中，科学家们开发了荧光报告器，可以用来读出细胞内单个分子的动态。但是，通常一次只能观察到一个或两个这样的信号，因为显微镜无法区分许多荧光色。

麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种方法，可以通过测量整个细胞中随机，不同位置的每个信号来一次成像多达五种不同的分子类型。Y. Eva Tan神经技术教授，生物工程，媒体艺术与科学以及脑与认知科学教授Edward Boyden表示，这种方法可以使科学家了解更多有关控制大多数细胞功能的复杂信号网络的更多信息。麻省理工学院。

麻省理工学院成员博伊登说：“基因组编码了成千上万个分子，它们以我们不了解的方式相互作用。只有同时观察它们，我们才能了解它们之间的关系。”麦戈文脑科学研究所和科赫综合癌症研究所。

研究人员说，在一项新的研究中，博伊登及其同事使用这种技术来识别两个以不同方式对钙信号作出反应的神经元种群，这可能会影响它们对长期记忆的编码方式。

博伊登(Boyden)是这项研究的资深作者，该研究今天在《细胞》杂志上发表。该论文的主要作者是麻省理工学院的博士后长阳灵虎和研究生香农·约翰逊。

荧光团簇

为了使分子活性在细胞内可见，科学家通常通过将感应目标分子的蛋白质与发光的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闪烁光的方式。”约翰逊也是杨潭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)，其基于最初在荧光水母中发现的分子。

博伊登说：“通常，生物学家可以在显微镜下同时看到一种或两种颜色，而且许多记者是绿色的，因为它们是基于绿色荧光蛋白的。” “到目前为止，一直缺乏能够同时看到多个以上这些信号的能力。”

Linghu说：“就像从管弦乐队中聆听单个乐器的声音一样，远远不足以完全欣赏交响乐，”通过同时观察多个蜂窝信号，我们的技术将帮助我们理解“交响曲”。的细胞活动。”

为了增加他们可以看到的信号数量，研究人员着手通过位置而不是颜色来识别信号。他们修改了现有的报道分子，使其聚集在一个单元内不同位置的簇中。他们通过向每个报道分子添加两个小肽来做到这一点，这有助于报道分子在细胞内形成不同的簇。

约翰逊说：“这就像是将记者X拴在一块乐高积木上，而记者Z拴在一块K'NEX块上，只有乐高积木才能卡住其他乐高积木，这导致只有记者X才能与更多记者X聚在一起。” 。

通过这种技术，每个细胞最终都有数百个荧光报告簇。在显微镜下测量每个簇的活性后，基于不断变化的荧光，研究人员可以通过保存细胞并染色每个报告基因特有的肽标签，来确定正在每个簇中测量哪个分子。肽标签在活细胞中是不可见的，但是在活成像完成后可以对其进行染色和观察。这使研究人员能够区分不同分子的信号，即使它们可能都在活细胞中发出相同的颜色。

研究人员使用这种方法表明，他们可以在一个细胞中看到五个不同的分子信号。为了证明该策略的潜在用途，他们测量了平行的三个分子的钙，环状AMP和蛋白激酶A(PKA)的活性。这些分子形成一个信号网络，与整个身体的许多不同细胞功能有关。在神经元中，它在将短期输入(来自上游神经元)转换为长期变化(例如加强神经元之间的连接)方面起着重要作用，这是学习和形成新记忆所必需的过程。

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态的新型亚群。一个人群显示钙反应缓慢。在其他人群中，神经元的钙反应更快。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。

成像信令网络

现在，研究人员计划在活体动物中尝试这种方法，以便他们可以研究信号网络活动与行为的关系，并将其扩展到其他类型的细胞，例如免疫细胞。该技术对于比较健康组织和患病组织的细胞之间的信号网络模式也可能有用。

他们说，在这篇论文中，研究人员表明他们可以一次记录五个不同的分子信号，并且通过修改现有策略，他们相信它们可以达到16个。通过额外的工作，这个数字可以达到数百个。

博伊登说：“这确实可能有助于解决一些棘手的问题，这些问题涉及细胞的各个部分如何协同工作。” “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，疾病或疾病治疗有关的部分。”