麻省理工学院革新细胞成像技术：观察活细胞内部活动的新方法

麻省理工学院革新细胞成像技术：观察活细胞内部活动的新方法活细胞会受到多种分子信号的轰击，这些信号会影响细胞的行为。如果能够测量这些信号以及细胞如何通过下游分子信号网络对这些信号做出反应，就能帮助科学家更多地了解细胞是如何工作的，包括当细胞衰老或患病时会发生什么。目前，这种全面的研究还不可能实现，因为目前的细胞成像技术仅限于同时对细胞内的少数不同分子类型进行成像。然而，麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法，可以一次观察多达七种不同的分子，甚至有可能观察到比这更多的分子。分子成像技术的突破"在生物学中，有许多例子表明，一个事件会引发一长串下游事件，进而导致特定的细胞功能，"谭以骅神经技术教授爱德华-博伊登（EdwardBoyden）说。"这是如何发生的？这可以说是生物学的基本问题之一，因此我们想知道，能不能简单地观察它的发生？"新方法利用了以不同速率闪烁的绿色或红色荧光分子。通过对细胞进行数秒、数分钟或数小时的成像，然后利用计算算法提取每个荧光信号，就能跟踪每个目标蛋白质随时间变化的数量。利用四种可切换荧光团，麻省理工学院的研究人员能够标记并成像这些细胞内的四种不同激酶（前四行）。下一行中，细胞核被标记为蓝色。图片来源：研究人员提供博伊登是这项研究的资深作者，他也是麻省理工学院生物工程教授、脑与认知科学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员、麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所成员，以及杨丽莎仿生学中心（K.LisaYangCenterforBionics）的联合主任。麻省理工学院博士后钱勇是论文的第一作者。荧光信号的进步用荧光蛋白标记细胞内的分子使研究人员能够大量了解许多细胞分子的功能。这类研究通常使用绿色荧光蛋白（GFP），该蛋白在20世纪90年代首次用于成像。从那时起，又开发了几种能发出其他颜色光的荧光蛋白用于实验。然而，典型的光学显微镜只能分辨出其中的两三种颜色，研究人员只能窥见细胞内发生的整体活动。如果能追踪更多的标记分子，研究人员就能测量脑细胞在学习过程中对不同神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。"理想情况下可以实时观察细胞内的信号波动，然后了解它们之间的关系。这将告诉我们细胞是如何计算的，"博伊登说。"问题是，无法同时观察很多东西。"2020年，博伊登的实验室开发出一种方法，通过将发光报告器瞄准细胞内的不同位置，同时对细胞内的多达五种不同分子进行成像。这种方法被称为"空间多路复用"，它能让研究人员分辨出不同分子的信号，即使它们发出的荧光颜色相同。在这项新研究中，研究人员采用了一种不同的方法：他们没有根据信号的物理位置来区分信号，而是创建了随时间变化的荧光信号。这种技术依赖于"可切换荧光团"--能以特定速率开启和关闭的荧光蛋白。在这项研究中，博伊登和他的研究小组成员确定了四种绿色可切换荧光团，然后又设计了另外两种，它们都以不同的速率开启和关闭。他们还确定了两种以不同速率开关的红色荧光蛋白，并设计了另外一种红色荧光团。每种可切换的荧光团都可以用来标记活细胞内不同类型的分子，如酶、信号蛋白或细胞骨架的一部分。在对细胞进行数分钟、数小时甚至数天的成像后，研究人员使用一种计算算法，从每种荧光团中挑选出特定信号，这类似于人耳挑选出不同频率的声音。"在交响乐团中，有长笛等高音乐器，也有大号等低音乐器。中间是小号等乐器。"博伊登说："它们都有不同的声音，而我们的耳朵会把它们分拣出来。"研究人员用来分析荧光团信号的数学技术被称为线性非混合法。这种方法可以提取不同的荧光团信号，类似于人耳使用一种称为傅立叶变换的数学模型来提取乐曲中的不同音高。分析完成后，研究人员就能看到在整个成像过程中，细胞中每个荧光标记分子出现的时间和位置。成像本身只需一台简单的光学显微镜即可完成，无需专业设备。探索生物现象在这项研究中，研究人员通过标记哺乳动物细胞中参与细胞分裂周期的六种不同分子，展示了他们的方法。这样，他们就能确定细胞周期中依赖细胞周期蛋白的激酶的水平是如何变化的。研究人员还发现，他们还能标记其他类型的激酶，这些激酶几乎涉及细胞信号传导的方方面面，还能标记细胞结构和细胞器，如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室培养皿中生长的哺乳动物细胞进行实验外，研究人员还证明这种技术可以在斑马鱼幼体的大脑中发挥作用。研究人员表示，这种方法有助于观察细胞如何对营养物质、免疫系统因子、激素或神经递质等任何输入做出反应。它还可以用来研究细胞如何对基因表达的变化或基因突变做出反应。所有这些因素都在生长、衰老、癌症、神经变性和记忆形成等生物现象中发挥着重要作用。博伊登说："我们可以认为所有这些现象都代表了一类普遍的生物问题，即某些短期事件--如摄入某种营养物质、学习某些知识或受到感染--会产生长期变化。"除了进行这些类型的研究，博伊登的实验室还在努力扩大可切换荧光团的范围，以便研究细胞内的更多信号。他们还希望调整该系统，使其能用于小鼠模型。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401541.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401541.htm

创新的生物技术融合了靶向和免疫疗法 以杀死难治性癌细胞

创新的生物技术融合了靶向和免疫疗法以杀死难治性癌细胞靶向疗法专门附着在致癌蛋白质上并加以抑制，但癌细胞可以迅速进化以对抗其作用。免疫疗法是第二类药物，利用免疫系统来攻击癌细胞。然而，这些药物往往不能“看到”癌细胞内部发生的致病变化，而这些细胞从外部看来是正常的。现在，一项新研究描述了一种克服这些限制的策略，该策略基于一些见解。这项研究由纽约大学朗格尼健康中心的科学家们领导。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1328131.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1328131.htm

科学家发明荧光探针 揭示细胞生物学"暗物质"的新奥秘

科学家发明荧光探针揭示细胞生物学"暗物质"的新奥秘糖在我们的生活中无处不在，几乎存在于我们吃的所有食物中。但这些简单碳水化合物的重要性远不止于美味的甜点。糖对生物体内几乎所有的生物过程都至关重要，天然存在的糖分子种类繁多。Cecioni说："构成生物体的所有细胞都覆盖着一层称为糖的糖基分子。因此，糖几乎处于所有生理过程的第一线，在维持健康和预防疾病方面发挥着根本性的作用"。"锁和钥匙"图。资料来源：塞西奥尼实验室他补充说："长期以来，科学家们认为细胞表面的复杂糖类只是一种装饰。但我们现在知道，这些糖与许多其他类型的分子相互作用，特别是与凝集素--一个庞大的蛋白质家族有着相互作用。"与糖类一样，凝集素也存在于所有生物体中。这些蛋白质具有独特的识别能力，能暂时附着在糖类上。这种相互作用发生在许多生物过程中，例如在感染引发的免疫反应过程中。最近，凝集素引起了人们的广泛关注。这是因为科学家们发现，凝集素"粘附"在糖类上的现象在许多疾病的出现中起着关键作用。塞乔尼说："我们对糖和凝集素之间的相互作用研究得越多，就越能认识到它们在疾病过程中的重要性。研究表明，细菌在我们的肺部定植、病毒入侵我们的细胞，甚至癌细胞欺骗我们的免疫系统，使其误以为自己是健康细胞，都与这种相互作用有关。"难以检测......直到现在关于糖和凝集素之间的相互作用是如何展开的谜题仍有许多缺失，因为它们很难研究。这是因为这些相互作用是瞬时的、微弱的，因此检测是一项真正的挑战。塞西奥尼的两名学生，硕士研究生塞西尔-布施（CécileBousch）和博士研究生布兰登-弗勒兹（BrandonVreulz）想到了用光来检测这些相互作用。三位研究人员开始着手制造一种化学探针，能够"冻结"糖和凝集素之间的相遇，并通过荧光使其可见。糖和凝集素之间的相互作用可以用"锁和钥匙"的关系来描述，其中"钥匙"是糖，"锁"是凝集素。化学家们已经创造出了能够阻断这种"锁与钥匙"相互作用的分子，现在可以准确地识别出哪些糖与凝集素结合，这对人类健康具有重大意义。Cecioni解释说："我们的想法是用发色团（一种赋予分子颜色的化学物质）标记糖分子。这种发色团实际上具有荧光性，这意味着如果糖与凝集素的结合被有效捕获，它就会发出荧光。科学家们就可以研究这些相互作用的内在机制以及可能产生的干扰"。塞西奥尼和他的学生相信，他们的技术可以用于其他类型的分子。他们甚至有可能控制新产生的荧光标记探针的颜色。通过将分子间的相互作用可视化，这一发现为研究人员提供了研究生物相互作用的宝贵新工具，其中许多相互作用对人类健康至关重要。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397829.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397829.htm

癌症研究的新突破：确定了导致干细胞死亡或再生的生物途径

癌症研究的新突破：确定了导致干细胞死亡或再生的生物途径雪松-西奈儿童医院的执行董事、该研究的资深作者OphirKlein博士说，这些发现强调了身体需要产生恰到好处的新细胞。Klein说："这就像一个细胞生产的特殊情况，如果有过多的细胞分裂，最终会出现肿瘤。如果细胞分裂太少，你就会出现旧细胞替换不良的情况。"身体的细胞受到各种生物途径的调节。每条途径都涉及到细胞内的一系列分子作用，在细胞内产生变化，如创造一个新的分子，如蛋白质。在这项研究中，雪松-西奈和加州大学旧金山分校的研究人员观察了一个名为Discslarge1（Dlg1）的基因对Wnt信号通路的影响。该途径涉及一系列调节干细胞生长或死亡的分子相互作用。Wnt途径始于细胞表面，止于细胞内部，对干细胞更新和组织再生至关重要。虽然该途径已被广泛研究，但对于通过该途径的通信信号的频率的微小增加和减少如何影响新细胞的产生，仍有许多未知数。Klein说："这些信号或指令可以随着时间的推移以及在不同的健康和疾病条件下发生变化。"研究人员研究了实验室小鼠的肠道组织样本，以了解Dlg1的突变如何影响Wnt信号和干细胞在高度再生的胃肠道的互动。通过对样本进行基因表达分析，研究小组寻找通常沿Wnt途径发送信号的基因的变化。通过这个过程，研究人员能够看到信号频率的变化如何影响干细胞的产生。研究人员发现，当他们抑制Dlg1的表达，然后通过添加一种特定的分子（如病毒或药物）来增加Wnt途径的信号传递时，干细胞就会死亡，而不是产生新的子细胞。该研究的共同第一作者、现为Genentech公司首席科学家的DavidCastillo-Azofeifa博士说："通过更好地了解细胞信号传导，我们可以学习如何使用一种分子来加快或减慢这一途径，并使信号传导正常化，从而使某一器官拥有正确数量的细胞。"Castillo-Azofeifa曾是克莱因在加州大学旧金山分校实验室的博士后研究员。该研究的另一位共同第一作者、克莱因实验室的科学家托马斯-瓦尔德(TomasWald)博士说："对信号水平的正确解释对干细胞的生存至关重要。研究人员下一步计划研究Wnt途径和Dlg1在人类肠道样本中的作用，看看它们是否复制了在实验室小鼠中观察到的情况。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339115.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339115.htm

PicoRuler：基于蛋白质的分子标尺革新细胞成像技术

PicoRuler：基于蛋白质的分子标尺革新细胞成像技术PicoRuler：基于蛋白质的分子标尺可以在现实条件下测试最新超分辨率显微镜方法在亚10纳米范围内对生物分子的光学分辨率。图片来源：GertiBeliu，DALL-E3/维尔茨堡大学由德国巴伐利亚州维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学（JMU）鲁道夫-维尔乔中心（RudolfVirchowCentre-CenterforIntegrativeandTranslationalBioimaging）的GertiBeliu博士和MarkusSauer教授领导的科学家团队现在提供了一个转折点。他们在《先进材料》杂志上发表了新型生物兼容分子尺PicoRulers（基于蛋白质的成像校准光学尺）。研究小组利用基因代码扩展和点击化学，成功构建了这些定制的分子尺。它们可在荧光显微镜中用作精确的生物分子参考结构。PicoRulers基于由三部分组成的蛋白质PCNA（增殖细胞核抗原），它在DNA复制和修复中发挥着核心作用。通过在精确定位的位置上引入非天然氨基酸，这种蛋白质已被改性，使荧光染料或其他分子能够以最小的连接误差特异性地点击到它上面。这样，研究人员就能在精确定义的细胞生物分子上以前所未有的精度测试最新超分辨率显微镜方法的分辨率。MarkusSauer热情洋溢地表示："能够在亚10纳米水平上解析真实的生物结构，标志着生物成像技术进入了一个新时代。与以前使用的人造大分子相比，我们的PicoRuler不仅具有生物兼容性的特点。它们还能在现实条件下实现无与伦比的测试分辨率精度。""这项技术的应用范围远远超出了传统显微镜的界限。"GertiBeliu解释说："我们的PicoRulers不仅是更精确测量的工具，还为更深入、更详细地研究细胞内发生的复杂过程打开了大门。"从长远来看，PicoRulers的进一步发展可能会改变具有分子分辨率的生物和医学成像。PicoRuler首次实现了在生物样本上验证和提高新的超分辨率显微镜方法的分辨率潜力。这使它们成为未来阐明细胞中生物分子的分子组织和相互作用的宝贵工具。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401693.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401693.htm

此前未被知晓的细胞内电力可能为生物学研究提供动力

此前未被知晓的细胞内电力可能为生物学研究提供动力生物凝结物，有点像水中的油滴，蕴藏着不平衡的电荷，可能为早期生命的开始提供所需的能量。现在，杜克大学的研究人员发现，这些类型的电场也存在于另一种类型的细胞结构内和周围，称为生物凝结物。就像漂浮在水中的油滴一样，这些结构的存在是因为密度的不同。它们在细胞内形成隔间，而不需要膜的物理边界。以前的研究表明，与空气或固体表面相互作用的微水滴会产生微小的电不平衡，受此启发，研究人员决定看看小型生物冷凝物是否也是如此。他们还想看看这些不平衡是否像这些其他系统一样引发了活性氧，"氧化还原"反应。他们的基础性发现于4月28日发表在《化学》杂志上，可以改变研究人员对生物化学的思考方式。它还可能提供一条线索，说明地球上的第一个生命是如何利用产生所需的能量的。"在没有酶催化反应的前生物环境中，能量从何而来？"在生物医学工程系AlanL.Kaganov特聘教授AshutoshChilkoti和生物医学工程系JamesL.Meriam特聘教授LingchongYou的实验室工作的杜克大学博士后研究员戴一凡问。这一发现为反应能量的来源提供了一个合理的解释，就像放在电场中的点状电荷所获得的势能一样。当电荷在一种材料和另一种材料之间跳跃时，它们可以产生分子碎片，这些碎片可以配对并形成羟基自由基，其化学式为OH。然后这些可以再次配对，形成过氧化氢（H2O2），数量微小但可检测。但是，除了细胞膜之外，界面很少在生物系统中被研究，而细胞膜是生物学中最重要的部分之一。"所以我们想知道在生物凝结物的界面上可能会发生什么，也就是说，如果它也是一个不对称的系统。"细胞可以建立生物凝结物，将某些蛋白质和分子分开或困在一起，阻碍或促进它们的活动。研究人员刚刚开始了解凝结物是如何工作的，以及它们可以用来做什么。Chilkoti实验室擅长创造自然发生的生物凝结物的合成版本，研究人员很容易为他们的理论创造一个试验台。在加州大学伯克利分校克里斯托弗-J-张小组的博士后学者马可-梅西纳的帮助下，他们将一种染料添加到系统中，在活性氧的存在下发光。在一项突破性的研究中，研究人员发现了生物凝结物中的电活动，这些细胞结构以前并不知道会有这种活动。传统上，科学家们认为，对生物过程至关重要的电不平衡只能存在于细胞膜之间。然而，这项研究在之前发现这种不平衡可能发生在空气和水微滴之间的研究基础上，揭示了类似的电场也存在于生物凝结物内部和周围。研究人员发现，这些不平衡可以引发活性氧或"氧化还原"反应。这一发现不仅挑战了现有的对生物化学的理解，而且还可以提供关于地球上第一个生命如何利用其存在所需能量的见解。他们的预感是正确的。当环境条件合适时，凝结物的边缘开始发出光芒，证实了一个以前未知的现象在起作用。Dai接下来与斯坦福大学MargueriteBlakeWilbur化学教授RichardZare进行了交谈，他的小组建立了水滴的电气行为。Zare听到生物系统中的新行为后非常兴奋，并开始与该小组合作研究其潜在机制。Zare说："受到以前关于水滴的工作的启发，我的研究生ChristianChamberlayne和我认为同样的物理原理可能适用并促进氧化还原化学，例如过氧化氢分子的形成。这些发现表明为什么凝结物在细胞的运作中如此重要。""以前关于生物分子凝结物的大多数工作都集中在它们的内部，"Chilkoti说。"生物分子凝集物似乎具有氧化还原活性，这表明凝集物并不像人们通常理解的那样简单地进化为执行特定的生物功能，而是它们还被赋予了一种对细胞至关重要的化学功能。"虽然我们细胞内的这种持续反应的生物学意义尚不清楚，但研究人员指出了一个生物前的例子，说明其影响可能是多么强大。我们细胞的动力中心，称为线粒体，通过相同的基本化学过程为我们所有的生命功能创造能量。但是在线粒体或甚至最简单的细胞存在之前，必须有东西为生命的最初功能提供能量才能开始工作。研究人员提出，这种能量是由海洋中的热喷口或温泉提供的。还有人提出，这种发生在水微滴中的氧化还原反应也是由海浪的喷射产生的。"当物质变得微小，界面体积与它的体积相比变得巨大时，神奇的事情就会发生，"Dai说。"我认为其影响对许多不同的领域都很重要。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357905.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357905.htm