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工具箱 新兴的工具和技术可能推动自闭症研究。
老鼠大脑神经元被突出显示为粉红色和绿色。
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新技术可以调谐到神经元中的分子振动

通过/ 2021年3月11日

研究人员可以窃听神经元内的分子聊天,多亏了荧光传感器它可以同时追踪许多不同的信号分子。这项新技术可以帮助揭示自闭症患者的信号通路如何不同,并确定治疗的分子靶点。

为了检测细胞中的特定分子,研究人员经常使用荧光“报告者”,当它们与指定的目标结合时发出荧光。“问题是,这些大部分都是绿色的,因为它们是基于水母中的一种绿色蛋白质,”他说爱德华Boyden他是麻省理工学院神经技术教授,领导了这项新工作。因此,科学家通常一次只能追踪一个目标。

有一些红色荧光报告分子可用,这使得跟踪两个分子成为可能——尽管困难,Boyden说。但是科学家们还没有简单的方法来研究包含两个以上分子的信号通路的复杂动力学。

有了这项新技术,研究人员可以同时监测多达五个分子。专门的传感器标记每个分子,并在细胞内形成不同的簇,这些簇可以根据位置而不是颜色来区分。

Boyden和他的同事们用传统的荧光报告基因制作了这种传感器,他们将两种叫做自组装肽的小蛋白质附着在每一种蛋白质上。这些肽是特定于单个报告基因的,每个肽只与其他类似的肽结合,导致报告基因按类型聚集在一起。

该团队还为每个报告复合物添加了一个独特的抗体靶标。因为在细胞成像过程中聚集的报告者几乎不移动,研究人员随后可以用抗体标记物染色细胞来识别聚集。

余辉:特定于一种分子的传感器簇(绿色)可以稍后使用抗体标记物进行区分。

由长阳灵湖/博伊登实验室提供

聚光灯

研究小组对现有的三种不同信号分子的绿色荧光报告基因进行了修饰:钙离子、环AMP和一种叫做蛋白激酶A (PKA)的酶。在神经元中,这些分子组成了一个信号网络,帮助形成细胞之间的连接,这个过程被认为是基础记忆和学习

研究人员在培养皿中测试了小鼠神经元中的改良传感器,将细胞暴露在一种提高环AMP水平的药物中,并观察钙离子水平和PKA活性的变化。他们还在老鼠的大脑切片上测试了这种传感器,老鼠只在特定的神经元中表达了其中的两种报告基因。他们使用显微镜跟踪细胞和大脑切片的荧光在暴露于药物之前,期间和之后,以测量分子的活性。

研究人员在去年12月的一份报告中称,经过修改的报告分子在一个细胞内创造了数百个亮点,其中绝大多数都是特定于一种分子细胞.报告者不会改变细胞的健康状况或常规信号。

使用传感器,研究人员跟踪钙离子水平的变化,环AMP和PKA活性随时间的推移。他们发现,在细胞和大脑切片中,有两组细胞对环AMP活性有不同的反应。在一些细胞中,随着环AMP的增加,钙离子迅速增加,而其他细胞则反应较慢。更快的反应也与更强的PKA活性相关。

研究人员说,这些不同的反应需要进一步的研究,但可以帮助解释为什么有些信号会导致神经元连接强度的持久变化,而另一些则不会。

研究小组修改了另外两种酶的报告基因——蛋白激酶C和细胞外信号调节激酶(ERK),并在培养皿中测试了所有五种报告基因。他们构建了能发出红光的ERK报告基因,但其肽类与环AMP报告基因相同。尽管这两名记者聚集在一起,但团队可以通过他们的颜色区分他们。

博伊登和他的团队目前正在招募更多的记者。他说,在未来,科学家可以利用这种方法同时追踪数百个分子。