德國馬克斯·普朗克醫(yī)學研究所的科學家們成功研發(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，如蛋白質相互作用、G蛋白偶聯(lián)受體的激活以及體內胞內鈣濃度的增加。

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

直接、連續(xù)和順序

記錄短暫的細胞事件對于闡明生物機制至關重要。目前，對組織中的細胞進行大多數記錄是通過將事件與報告基因的轉錄或使用CRISPR/Cas工具進行關聯(lián)。然而，細胞活動與記錄之間的耦合只是間接的。

記錄瞬時細胞事件的理想方法是直接在整個組織中同時訪問大量細胞，并且在優(yōu)秀的時空分辨率下完成。此外，為了對瞬時細胞事件進行大規(guī)模并行分析，將記錄與分析分離是至關重要的；這涉及將瞬時事件轉化為未來分析的永久標記。然而，目前缺乏符合這些要求的方法。

使用光學和光遺傳學方法可以直接記錄原位和事后分析細胞活動，通過對活體標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活動。當在高Ca2+水平下照明時，它會發(fā)生不可逆的顏色變化。

使用化學探針對細胞進行活動標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，目前的活動基礎化學標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——在特定細胞活動和熒光底物的存在下會被標記的蛋白質。熒光底物和瞬時細胞活動的結合，比如蛋白質間的相互作用或細胞內Ca2+水平的增加，可用于有理設計記錄器，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記錄不同的時間間隔。Split-HaloTag記錄器允許對細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胞位置。

由于熒光信號在數天內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胞或生物體。此外，熒光信號的持久性使得通過記錄器標記進行細胞分選和隨后的轉錄組分析成為可能。

所有這些特性都在使用設計用于Ca2+依賴性蛋白標記（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活動。他們還基于它們的Ca2+水平對各種細胞群體進行了排序和分析轉錄組。鑒于Ca2+信號的廣泛使用和HaloTag標記在許多模型系統(tǒng)中的成功應用，Caprola有望在生物學的不同領域中得到應用。

根據作者的說法，通過利用其他基于蛋白的熒光生物傳感器的設計原則，應該可以設計用于其他細胞活動的記錄器。這是因為生物記錄的設計原則將細胞活動與split-HaloTag的兩個組分的增加親近聯(lián)系起來。split-HaloTag系統(tǒng)為在生物領域連接細胞生理學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