細(xì)胞中的基因活動(dòng)復(fù)雜，就像是一場(chǎng)交響樂(lè)，每種基因的演奏時(shí)間和演奏旋律各不相同。如果只在某一瞬間看到細(xì)胞，科學(xué)家真的能理解它嗎？

近期，美國(guó)密歇根大學(xué)安娜堡分校令狐昌洋教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種多重記錄基因調(diào)控動(dòng)態(tài)的新工具“細(xì)胞磁帶（CytoTape）”，能夠大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)程地觀察細(xì)胞活動(dòng)。這是一種基因編碼的、模塊化的柔性蛋白質(zhì)“磁帶”，在細(xì)胞內(nèi)部連續(xù)記錄下細(xì)胞活動(dòng)的細(xì)節(jié)，就如同樹木的年輪一樣。

圖丨人源細(xì)胞中的細(xì)胞磁帶（來(lái)源：Nature）

值得關(guān)注的是，CytoTape 記錄的信息能夠通過(guò)傳統(tǒng)顯微鏡讀取，從而在實(shí)現(xiàn)在固定后的細(xì)胞和組織中，規(guī)?；鼗厮葸^(guò)去的細(xì)胞活動(dòng)歷史：研究人員在單個(gè)活細(xì)胞內(nèi)同時(shí)記錄了 5 種不同的基因調(diào)控活動(dòng)，在培養(yǎng)的小鼠活體神經(jīng)細(xì)胞中最長(zhǎng)可持續(xù)記錄 21 天，在單個(gè)小鼠大腦中成功記錄了 14,123 個(gè)神經(jīng)元的 c-fos 基因表達(dá)歷史，并驗(yàn)證了相關(guān)記錄過(guò)程沒(méi)有改變細(xì)胞和腦組織的正常生理功能。

這項(xiàng)研究不僅是細(xì)胞動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)的重要進(jìn)步，更為理解基因調(diào)控細(xì)胞功能、大腦功能和疾病機(jī)制打開了一扇新的時(shí)空觀測(cè)之門，并有望拓展至癌癥和發(fā)育生物學(xué)等領(lǐng)域的研究。

北京時(shí)間 1 月 27 日，相關(guān)論文以《規(guī)?；⒍嗤ǖ?、長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的基因調(diào)控動(dòng)態(tài)記錄器》（Scalable and multiplexed recorders of gene regulation dynamics across weeks）為題發(fā)表在 Nature [1]。密歇根大學(xué)安娜堡分校博士后鄭力榮、時(shí)冬青和博士生 Yixiao Yan 是共同第一作者，令狐昌洋擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature）

審稿人認(rèn)為這項(xiàng)研究令人印象深刻，其中一位審稿人評(píng)價(jià)稱：“這項(xiàng)工作具有顯著價(jià)值……將被世界各地的實(shí)驗(yàn)室探討”。

可回溯過(guò)去：打破傳統(tǒng)精度與規(guī)模的取舍

基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，是細(xì)胞功能和疾病發(fā)生的關(guān)鍵因素。然而在活體成像中，長(zhǎng)期以來(lái)面臨精度和規(guī)?！棒~和熊掌不可兼得”的難題，無(wú)法大規(guī)模地讀取單細(xì)胞精度信號(hào)。

簡(jiǎn)單來(lái)理解，活體成像往往存在一種物理極限：要看得細(xì)只能看得少；要看得多就看不細(xì)。例如，用光學(xué)的方法能夠看到單細(xì)胞精度，但規(guī)模受到視場(chǎng)大小和生物組織中光吸收與光散射的限制；而核磁共振、CT 掃描、B 超等盡管可以掃描大腦全局，但無(wú)法達(dá)到單細(xì)胞精度。

在組織學(xué)方法中，把大腦保存固定、切片染色后，用光學(xué)的方法可以通過(guò)持續(xù)的高精度掃描來(lái)大規(guī)模地觀測(cè)每個(gè)細(xì)胞。雖然這種方法避免了精度和規(guī)模的取舍，但其同時(shí)存在另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：保存固定后的大腦組織里，不再含有在它還活著時(shí)的時(shí)變信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)從年輪結(jié)構(gòu)記錄樹的生長(zhǎng)過(guò)程中汲取靈感，提出了一個(gè)創(chuàng)新的想法：能不能在細(xì)胞中放入“磁帶”，像用錄音機(jī)那樣持續(xù)記錄活體大腦活動(dòng)的歷史信息呢？這樣就能夠通過(guò)磁帶記錄回溯過(guò)去，這對(duì)于分析原本瞬息萬(wàn)變的細(xì)胞活動(dòng)尤為重要。

2023 年，該團(tuán)隊(duì)在 Nature Biotechnology 報(bào)道了記錄生物信號(hào)的工具表達(dá)記錄島（XRI，Expression Recording Island）[2]，盡管能記錄單細(xì)胞精度的生理活動(dòng)，但由于柔軟度不夠，記錄的時(shí)長(zhǎng)仍然有限，并且只能同時(shí)觀測(cè)一種細(xì)胞信號(hào)。

為解決這些核心問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)從組成“磁帶”的蛋白質(zhì)材料特性入手提出了一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)：由于細(xì)胞大小有限，材料越細(xì)越柔軟則能在同樣的空間里變得更長(zhǎng)，從而記錄更長(zhǎng)時(shí)間、更多種類的信息。因此，他們盡可能將細(xì)胞磁帶做得更細(xì)更柔軟。

“細(xì)胞磁帶能像真正的磁帶那樣在細(xì)胞內(nèi)彎曲甚至卷起來(lái)，這種設(shè)計(jì)也為磁帶變得更長(zhǎng)奠定了基礎(chǔ)?！绷詈蠼榻B道。

圖丨小鼠神經(jīng)元中的細(xì)胞磁帶（來(lái)源：Nature）

如何實(shí)現(xiàn)多重、跨數(shù)周尺度的細(xì)胞記錄？

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)記錄時(shí)間和多通道記錄，需要設(shè)計(jì)出一種能在活細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定、持久、安全、有序組裝的特殊蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)蛋白質(zhì)工程的難題。由于該方向的文獻(xiàn)和既有經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，因此研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多種方法的探索。

最初，他們嘗試用擴(kuò)散模型，即直接讓 AI 生成這些組成磁帶的蛋白質(zhì)模塊。盡管 AI 生成的設(shè)計(jì)在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生了線性結(jié)構(gòu)，但它與現(xiàn)有設(shè)計(jì)在性能上還有一定差距。

令狐昌洋對(duì) DeepTech 解釋說(shuō)道：“這就像是我們已經(jīng)有了自行車，而 AI 只能自主造出一輛兒童腳踏車，雖然也能跑但距離我們理想中的跑車還有很大差距。”

緊接著，研究人員繼續(xù)嘗試不再讓 AI 完全從頭生成，而是給出已有的最好設(shè)計(jì)，再讓它搜索單點(diǎn)突變進(jìn)行改進(jìn)。他們找到一個(gè)包含 L349K 突變的單體設(shè)計(jì)，能夠在活細(xì)胞中自組裝成長(zhǎng)期保持纖細(xì)、穩(wěn)定、柔韌的絲狀纖維。

在這個(gè)階段，“單車”已經(jīng)升級(jí)為“摩托車”。研究人員進(jìn)一步提出：能不能通過(guò)人類的思維進(jìn)行進(jìn)一步的理性設(shè)計(jì)？

他們對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的三個(gè)區(qū)域分別做出了多種改變，比如把某個(gè)區(qū)域縮短，進(jìn)行類似于蛋白質(zhì)剪枝的調(diào)整，或調(diào)整區(qū)域的順序。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)縮短連接子、C 端標(biāo)簽重定位以及截短絕緣體區(qū)域，“單車”已經(jīng)逐步升級(jí)為“汽車”。

出乎研究人員意料的是，當(dāng)他們將上述的 AI 和人類產(chǎn)生的數(shù)種改進(jìn)組合在一起時(shí)，新的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)被研究人員拼裝成了一個(gè)“跑車”，產(chǎn)生的柔性細(xì)胞磁帶的精度甚至能區(qū)分 30 分鐘前后的兩個(gè)時(shí)間信號(hào)，并且能持續(xù)記錄長(zhǎng)達(dá) 21 天?！斑@也驗(yàn)證了我們?cè)O(shè)計(jì)流程的合理性和有效性?！绷詈蟊硎尽?/p>

圖丨細(xì)胞磁帶通過(guò)彩色標(biāo)簽記錄基因表達(dá)動(dòng)態(tài)（來(lái)源：Nature）

回放生命的“交響樂(lè)章”：解碼大腦與疾病的動(dòng)態(tài)過(guò)程

由于每個(gè)細(xì)胞的“錄制速度”（蛋白組裝速度）并不完全一致，研究人員采用了基于 HaloTag[3] 或 Tet-On[4] 的時(shí)間戳機(jī)制：像時(shí)間標(biāo)尺一樣每隔一段時(shí)間就在磁帶上加上時(shí)間標(biāo)記，以此校準(zhǔn)不同細(xì)胞的錄制節(jié)奏，讓細(xì)胞磁帶上的時(shí)間標(biāo)記與真實(shí)世界同步。

研究人員通過(guò) AI 設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)構(gòu)建了能夠慢慢生長(zhǎng)的一維鏈條，將時(shí)間信息編碼到蛋白纖維的空間位置中，并通過(guò)不同顏色記錄不同的細(xì)胞信號(hào)和基因信號(hào)。

在小鼠的活體大腦中試驗(yàn)成功后，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步在海馬體和大腦皮層等常見區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)為小鼠注射海人酸，讓它產(chǎn)生類似癲癇的行為學(xué)活動(dòng)，并成功記錄了小鼠在癲癇發(fā)作時(shí)基因表達(dá)的變化。

有了這些經(jīng)驗(yàn)，研究人員在不同的細(xì)胞種類中繼續(xù)驗(yàn)證了 CytoTape 的功能，包括小鼠神經(jīng)元、小鼠神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、人源胚胎腎細(xì)胞（HEK293T）以及人源宮頸癌細(xì)胞（HeLa）。

圖丨細(xì)胞磁帶記錄基因調(diào)控動(dòng)態(tài)的連續(xù)信號(hào)波形（來(lái)源：Nature）

研究團(tuán)隊(duì)演示了在單細(xì)胞內(nèi)同時(shí)記錄五種不同基因調(diào)控動(dòng)態(tài)的能力，包括 c-fos、Arc、Egr1、Npas4、CREB。這種多路復(fù)用記錄揭示了個(gè)體細(xì)胞反應(yīng)的異質(zhì)性，例如在同樣的刺激下，不同神經(jīng)元的基因激活波形并不一樣，有的簡(jiǎn)單而有的卻很復(fù)雜。

（來(lái)源：Nature）

此外，他們還發(fā)現(xiàn)了一些有趣的生物學(xué)現(xiàn)象：CREB 的激活并不總是導(dǎo)致下游 Fos 基因的穩(wěn)定表達(dá)。令狐昌洋解釋說(shuō)道：“Fos 有點(diǎn)像小孩而 CREB 則像是家長(zhǎng)。當(dāng) Fos 在 CREB 開啟之前就較為活躍時(shí)，F(xiàn)os 常常會(huì)出現(xiàn)與 CREB 不一致的活動(dòng)；而當(dāng) Fos 比較安靜時(shí)，它就非常愿意聽 CREB 的話?！?/p>

總體而言，研究人員同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞精度和規(guī)模化記錄：在神經(jīng)細(xì)胞中最長(zhǎng)可記錄 21 天基因調(diào)控動(dòng)態(tài)，最多能夠在同一細(xì)胞內(nèi)同時(shí)記錄五種基因信號(hào)，并能同時(shí)讀取細(xì)胞的空間位置信息。

這些現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解復(fù)雜的細(xì)胞生理過(guò)程具有重要意義，就像在交響曲中我們不僅能夠聽到鋼琴、小提琴等各種樂(lè)器的演奏，還能聽到它們之間的協(xié)作。同時(shí)觀察多種基因調(diào)控信號(hào)，意味著可以了解不同信號(hào)在時(shí)間上的耦合特征。

盡管現(xiàn)有的空間組學(xué)技術(shù)同樣具有空間分辨率，但其重點(diǎn)是抓拍大量分子的靜態(tài)快照。與之不同的是，CytoTape 能夠動(dòng)態(tài)記錄幾種關(guān)鍵細(xì)胞信號(hào)的歷史軌跡。研究人員基于 CytoTape 的時(shí)間分辨率可以根據(jù)信號(hào)和事件的先后順序，對(duì)藥物干預(yù)或行為刺激下的細(xì)胞響應(yīng)進(jìn)行因果推斷。

圖丨細(xì)胞磁帶規(guī)?；刈x取細(xì)胞信號(hào)（來(lái)源：Nature）

規(guī)?；x取生物體細(xì)胞內(nèi)的時(shí)空信號(hào)和活動(dòng)，對(duì)于理解大腦和疾病的相關(guān)研究尤為重要，特別是比較不同種類的細(xì)胞、不同區(qū)域的細(xì)胞之間的協(xié)作現(xiàn)象。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)希望能在 AI 的輔助下觀察更多基因并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，進(jìn)而解碼大腦細(xì)胞集群的工作協(xié)作機(jī)制。學(xué)習(xí)、記憶、認(rèn)知和意識(shí)等功能都由大腦產(chǎn)生，借助 AI for Biology 的規(guī)?；瘧?yīng)用，有望理解細(xì)胞集群的協(xié)作是如何涌現(xiàn)出這些功能的，以及疾病是如何破壞這種協(xié)作的。

CytoTape 不只是一種工具，而是在改變“如何規(guī)?；芯考?xì)胞”的方式。研究團(tuán)隊(duì)希望未來(lái)與其他生物技術(shù)開發(fā)者和生物醫(yī)學(xué)研究者合作，共同增強(qiáng)大規(guī)模細(xì)胞交互技術(shù)，助力解碼細(xì)胞的“交響樂(lè)”和生命的機(jī)理。

令狐昌洋實(shí)驗(yàn)室（Spatial Biodynamics Lab）的研究方向是神經(jīng)科學(xué)和生物技術(shù)，歡迎對(duì)該方向感興趣的博士后和博士生申報(bào)加入該實(shí)驗(yàn)室。

圖丨從左至右依次為：鄭力榮、時(shí)冬青、Yixiao Yan 和令狐昌洋

參考資料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10156-9

2.https://doi.org/10.1038/s41587-022-01586-7

3.https://doi.org/10.1038/s41587-022-01524-7

4.https://doi.org/10.1016/S0896-6273(00)80533-4

5.令狐昌洋實(shí)驗(yàn)室 https://www.spatialbiodynamics.org

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍