自组装蛋白可以储存细胞记忆

使用这些工程蛋白，研究人员可以记录揭示某些基因何时被激活或细胞如何对药物产生反应的历史。当细胞执行日常功能时，它们会启动各种基因和细胞通路。麻省理工学院的工程师现在已经诱导细胞将这些事件的历史记录在一条长长的蛋白质链中，这条蛋白质链可以用光学显微镜成像。

被编程为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，有序的蛋白质链可以用荧光分子标记并在显微镜下读取，从而使研究人员能够重建事件发生的时间。

这种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。

“在器官或身体尺度上发生了很多变化，从数小时到数周，这些变化无法随着时间的推移而被追踪，”生物工程和大脑与认知教授Y.EvaTan神经技术教授爱德华博伊登说麻省理工学院科学博士、霍华德休斯医学研究所研究员，以及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。

研究人员说，如果这项技术可以扩展到更长的时间内工作，它也可以用于研究衰老和疾病进展等过程。

博伊登是这项研究的资深作者，该研究今天发表在《自然生物技术》上。麦戈文研究所前J.DouglasTan博士后研究员、现为密歇根大学助理教授的长阳令狐是该论文的第一作者。

器官等生物系统包含许多不同种类的细胞，所有这些细胞都具有独特的功能。研究这些功能的一种方法是对细胞内的蛋白质、RNA或其他分子成像，这可以提供细胞正在做什么的线索。然而，大多数执行此操作的方法只能及时瞥见单个时刻，或者不适用于非常大的细胞群。

“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，”令狐说。“要了解这些类型的生物系统，我们需要在这些大细胞群中随时间观察生理事件。”

为实现这一目标，研究团队提出了将细胞事件记录为一系列不断添加到链中的蛋白质亚基的想法。为了创建它们的链，研究人员使用了通常不会在活细胞中发现的工程蛋白亚基，它们可以自组装成长丝。

研究人员设计了一个基因编码系统，其中一个亚基在细胞内不断产生，而另一个仅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与不同的荧光抗体结合，使得以后可以轻松地可视化标签并确定蛋白质亚基的序列。

在这项研究中，研究人员使含有V5的亚基的产生取决于一种叫做c-fos的基因的激活，该基因参与编码新记忆。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在此期间被激活。

“我们希望利用这种蛋白质自组装来记录每个细胞的活动，”令狐说。“它不仅是时间的快照，还记录了过去的历史，就像树木生长的年轮如何随着时间的推移永久存储信息一样。”

记录事件

在这项研究中，研究人员首先使用他们的系统记录在实验室培养皿中生长的神经元中c-fos的激活。c-fos基因通过化学诱导的神经元激活而被激活，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了编程，以生成蛋白质链，这些蛋白质链可以揭示动物何时接触了特定的药物。后来，研究人员能够通过保存组织并用光学显微镜对其进行分析来检测这种暴露。

研究人员将他们的系统设计为模块化，以便可以交换不同的表位标签，或者可以检测不同类型的细胞事件，原则上包括细胞分裂或称为蛋白激酶的酶的激活，这有助于控制许多细胞通路.

研究人员还希望延长他们可以达到的记录周期。在这项研究中，他们在组织成像之前记录了几天的事件。可以记录的时间量与时间分辨率或事件记录频率之间存在权衡，因为蛋白质链的长度受细胞大小的限制。

“它能存储的信息总量是固定的，但我们原则上可以放慢或加快链条的增长速度，”令狐说。“如果我们想记录更长时间，我们可以减慢合成速度，使其在比方说两周内达到细胞的大小。通过这种方式，我们可以记录更长的时间，但时间分辨率更小。”

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