活细胞受到多种影响其行为的传入分子信号的狂轰滥炸。能够丈量这些信号，以及细胞怎样通过下游分子信号网络对它们做出反应，可以资助科学家们更多地相识细胞是怎样事情的，包括当它们朽迈或患病时会爆发什么。
现在，这种周全的研究是不可能的，由于现在的细胞成像手艺一次只能局限于细胞内的几种差别的分子类型。然而，麻省理工学院的研究职员已经开发出一种替换要领，可以让他们一次视察多达七个差别的分子，甚至可能更多。
“在生物学中有许多例子，一个事务引发了一连串的下游事务，然后导致了特定的细胞功效，”Y. Eva Tan神经手艺教授Edward Boyden说。“这是怎么爆发的？”这可以说是生物学的基本问题之一，以是我们想知道，你能简朴地看着它爆发吗？
图片信息：链霉菌进化中ROP信号的建设。
这种新要领使用了绿色或红色荧光分子，它们以差别的速率闪灼。通过在几秒钟、几分钟或几小时内对细胞举行成像，然后使用盘算算法提取每个荧光信号，可以跟踪每个目的卵白的数目随时间的转变。
Boyden也是麻省理工学院生物工程和脑与认知科学的教授，霍华德休斯医学研究所的研究员，麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员，以及K. Lisa Yang 仿生学中心的团结主任，是这项研究的资深作者，该研究揭晓在今天的《Cell》杂志上。麻省理工学院博士后Yong Qian是这篇论文的第一作者。
荧光信号
用荧光卵白标记细胞内的分子使研究职员能够相识许多细胞分子的功效。这种类型的研究通常是用绿色荧光卵白（GFP）完成的，它在20世纪90年月首次用于成像。从那时起，几种以其他颜色发光的荧光卵白被开发出来用于实验。
然而，典范的光学显微镜只能区分出其中的两种或三种颜色，这使得研究职员只能对细胞内爆发的整体运动有一个很小的相识。若是他们能够追踪更多的标记分子，研究职员就可以丈量脑细胞在学习历程中对差别神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。
“理想情形下，你将能够实时视察细胞中的信号波动，然后你就可以明确它们之间的关系。这将告诉你细胞是怎样盘算的，”Boyden说。“问题是你不可同时看许多工具。”
2020年，Boyden的实验室开发了一种要领，通过将发光报告细胞定位到细胞内的差别位置，同时对细胞内多达五种差别的分子举行成像。这种要领被称为“空间多路复用”，它允许研究职员区分差别分子的信号，纵然它们发出的荧光可能是相同的颜色。
在这项新研究中，研究职员接纳了一种差别的要领：他们创立了随时间转变的荧光信号，而不是凭证它们的物理位置来区分信号。这项手艺依赖于“可切换的荧光团”——一种以特定速率开启和关闭的荧光卵白。在这项研究中，博伊登和他的小组成员确定了四个绿色可切换荧光团，然后设计了另外两个，它们都以差别的速率翻开和关闭。他们还确定了两种以差别速率转换的红色荧光卵白，并设计了一个特另外红色荧光团。
这些可切换的荧光团中的每一个都可以用来标记活细胞内差别类型的分子，如酶、信号卵白或细胞骨架的一部分。在对细胞举行几分钟、几小时甚至几天的成像后，研究职员使用一种盘算算法从每个荧光团中挑选出特定的信号，类似于人耳怎样挑选差别频率的声音。
“在交响乐团中，你有高音乐器，好比长笛，也有低音乐器，好比大号。中心是小号之类的乐器。它们都有差别的声音，sunbet耳朵会把它们分类。”
研究职员用来剖析荧光团信号的数学手艺被称为线性解混。这种要领可以提取差别的荧光团信号，类似于人耳怎样使用称为傅里叶变换的数学模子从一段音乐中提取差别的音高。
一旦剖析完成，研究职员就可以看到在整个成像时代，每个荧光标记分子在细胞中的时间和位置。成像自己可以用一个简朴的光学显微镜完成，不需要专门的装备。
生物征象
在这项研究中，研究职员通过标记哺乳动物细胞中加入细胞破碎周期的六种差别分子来证实他们的要领。这使他们能够确定细胞周期卵白依赖性激酶水平怎样随着细胞周期的希望而转变的模式。
研究职员还批注，他们可以标记其他类型的激酶，这些激酶险些涉及细胞信号传导的各个方面，以及细胞结构和细胞器，如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室作育皿中作育的哺乳动物细胞举行实验外，研究职员还批注，这项手艺可以在斑马鱼幼虫的大脑中施展作用。
研究职员说，这种要领可以用来视察细胞对任何输入的反应，好比营养物质、免疫系统因子、激素或神经递质。它还可以用于研究细胞怎样对基因表达或基因突变的转变做出反应。所有这些因素都在诸如生长、朽迈、癌症、神经退化和影象形成等生物征象中施展着主要作用。
Boyden说：“你可以把所有这些征象看作是一类生物学问题，一些短期事务——好比吃了营养物，学了工具，或者熏染了病毒——会爆发恒久的转变。”
除了举行这些类型的研究，Boyden的实验室还致力于扩大可切换荧光团的规模，以便他们可以研究细胞内更多的信号。他们还希望对该系统举行调解，使其能够用于小鼠模子。
该研究由Alana奖学金、K. Lisa Yang、John Doerr、Jed McCaleb、James Fickel、Ashar Aziz、麻省理工学院K. Lisa Yang和Hock E. Tan分子治疗中心、霍华德休斯医学研究所和美国国立卫生研究院资助。
期刊：Cell
DOI：10.1016/j.cell.2023.11.010
文章问题：Temporally multiplexed imaging of dynamic signaling networks in living cells
