Nature子刊：存储细胞“记忆”的自组装蛋白质，使用光学显微镜即可“查看”

当细胞执行日常功能时，它们会开启各种基因和细胞通路。麻省理工学院的工程师们现在已经诱导细胞将这些事件的历史记录在一条可以用光学显微镜成像的长蛋白质链中。

被编程产生这些链的细胞不断添加编码特定细胞事件的构建块。随后，这些有序的蛋白质链可以用荧光分子标记，并在显微镜下读取，使研究人员能够重建事件发生的时间。

这项技术可以帮助阐明记忆形成、对药物治疗的反应和基因表达等过程的基础步骤。

Edward Boyden霍华德医学研究所研究员，麻省理工学院麦戈文大脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员爱德华·博伊登说:“在器官或身体尺度上，有很多变化发生在几小时到几周的时间里，这些变化是无法随着时间追踪的。”研究人员说，如果这项技术可以延长工作时间，它也可以用于研究衰老和疾病进展等过程。Boyden是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的《Nature Biotechnology》杂志上。前麦戈文研究所J. Douglas Tan博士后研究员Changyang Linghu是该论文的第一作者。

生物系统，如器官，包含许多不同种类的细胞，它们都有不同的功能。研究这些功能的一种方法是对细胞内的蛋白质、RNA或其他分子进行成像，这可以为细胞的活动提供线索。然而，大多数这样做的方法只提供了一个瞬间的一瞥，或者对非常大的细胞群不起作用。

“生物系统通常由大量不同类型的细胞组成。例如，人脑有860亿个细胞。”Linghu说。“为了了解这些生物系统，我们需要观察这些大细胞群中随着时间的推移发生的生理事件。”

为了实现这一目标，研究小组提出了将细胞事件记录为一系列不断添加到链上的蛋白质亚基的想法。为了创造它们的链，研究人员使用了工程蛋白亚基，这种亚基通常不存在于活细胞中，可以自组装成长丝。

研究人员设计了一种基因编码系统，其中一种亚基在细胞内持续产生，而另一种只在特定事件发生时产生。每个亚基还包含一个非常短的肽，称为表位标签——在这种情况下，研究人员选择了称为HA和V5的标签。这些标签中的每一个都可以结合到不同的荧光抗体上，这样就可以很容易地看到标签，并确定蛋白质亚基的序列。

在这项研究中，研究人员将含有v5的亚基的产生取决于一种名为c-fos的基因的激活，这种基因与编码新记忆有关。ha标记的亚基构成了链的大部分，但只要V5标记出现在链中，就意味着c-fos在这段时间被激活了。

Linghu说:“我们希望利用这种蛋白质自我组装来记录每个细胞的活动。它不仅是时间的快照，还记录了过去的历史，就像树木年轮随着时间的推移可以永久存储信息一样。”

在这项研究中，研究人员首先使用他们的系统记录了在实验室培养皿中生长的神经元中c-fos的激活情况。c-fos基因通过化学诱导神经元的激活被激活，这导致V5亚基被添加到蛋白质链中。

为了探索这种方法是否适用于动物的大脑，研究人员对小鼠的脑细胞进行编程，使其产生蛋白质链，从而揭示动物何时接触到特定的药物。后来，研究人员通过保存组织并用光学显微镜分析来检测暴露。

研究人员将他们的系统设计成模块化，这样就可以交换不同的表位标签，或者可以检测到不同类型的细胞事件，原则上包括细胞分裂或蛋白质激酶的激活，这些酶有助于控制许多细胞通路。

研究人员还希望延长他们所能实现的记录时间。在这项研究中，他们在组织成像前记录了几天的事件。在可以记录的时间量和时间分辨率或事件记录的频率之间存在权衡，因为蛋白质链的长度受限于细胞的大小。

Linghu说:“它能存储的信息总量是固定的，但原则上我们可以减慢或加快链的增长速度。如果我们想记录更长的时间，我们可以放慢合成速度，让它在两周内达到细胞的大小。这样我们就可以记录更长的时间，但时间分辨率更低。”

研究人员还致力于对系统进行工程设计，通过增加可以合并的不同子单元的数量，使其可以在同一链中记录多种类型的事件。

Changyang Linghu, Bobae An, Monika Shpokayte, Orhan T. Celiker, Nava Shmoel, Ruihan Zhang, Chi Zhang, Demian Park, Won Min Park, Steve Ramirez, Edward S. Boyden. Recording of cellular physiological histories along optically readable self-assembling protein chains. Nature Biotechnology, 2023