科學家造出細胞里的“時間機器”，可連續記錄腦細胞基因活動21天

細胞中的基因活動復雜，就像是一場交響樂，每種基因的演奏時間和演奏旋律各不相同。如果只在某一瞬間看到細胞，科學家真的能理解它嗎？

近期，美國密歇根大學安娜堡分校令狐昌洋教授團隊開發出一種多重記錄基因調控動態的新工具“細胞磁帶（CytoTape）”，能夠大規模、長時程地觀察細胞活動。這是一種基因編碼的、模塊化的柔性蛋白質“磁帶”，在細胞內部連續記錄下細胞活動的細節，就如同樹木的年輪一樣。

圖丨人源細胞中的細胞磁帶（來源：Nature）

值得關注的是，CytoTape 記錄的信息能夠通過傳統顯微鏡讀取，從而在實現在固定后的細胞和組織中，規模化地回溯過去的細胞活動歷史：研究人員在單個活細胞內同時記錄了 5 種不同的基因調控活動，在培養的小鼠活體神經細胞中最長可持續記錄 21 天，在單個小鼠大腦中成功記錄了 14,123 個神經元的 c-fos 基因表達歷史，并驗證了相關記錄過程沒有改變細胞和腦組織的正常生理功能。

這項研究不僅是細胞動態記錄技術的重要進步，更為理解基因調控細胞功能、大腦功能和疾病機制打開了一扇新的時空觀測之門，并有望拓展至癌癥和發育生物學等領域的研究。

北京時間 1 月 27 日，相關論文以《規模化、多通道、長達數周的基因調控動態記錄器》（Scalable and multiplexed recorders of gene regulation dynamics across weeks）為題發表在 Nature [1]。密歇根大學安娜堡分校博士后鄭力榮、時冬青和博士生 Yixiao Yan 是共同第一作者，令狐昌洋擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature）

審稿人認為這項研究令人印象深刻，其中一位審稿人評價稱：“這項工作具有顯著價值……將被世界各地的實驗室探討”。

可回溯過去：打破傳統精度與規模的取舍

基因調控網絡的動態變化，是細胞功能和疾病發生的關鍵因素。然而在活體成像中，長期以來面臨精度和規模“魚和熊掌不可兼得”的難題，無法大規模地讀取單細胞精度信號。

簡單來理解，活體成像往往存在一種物理極限：要看得細只能看得少；要看得多就看不細。例如，用光學的方法能夠看到單細胞精度，但規模受到視場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，但無法達到單細胞精度。

在組織學方法中，把大腦保存固定、切片染色后，用光學的方法可以通過持續的高精度掃描來大規模地觀測每個細胞。雖然這種方法避免了精度和規模的取舍，但其同時存在另一個關鍵挑戰：保存固定后的大腦組織里，不再含有在它還活著時的時變信號。

研究團隊從年輪結構記錄樹的生長過程中汲取靈感，提出了一個創新的想法：能不能在細胞中放入“磁帶”，像用錄音機那樣持續記錄活體大腦活動的歷史信息呢？這樣就能夠通過磁帶記錄回溯過去，這對于分析原本瞬息萬變的細胞活動尤為重要。

2023 年，該團隊在 Nature Biotechnology 報道了記錄生物信號的工具表達記錄島（XRI，Expression Recording Island）[2]，盡管能記錄單細胞精度的生理活動，但由于柔軟度不夠，記錄的時長仍然有限，并且只能同時觀測一種細胞信號。

為解決這些核心問題，研究團隊從組成“磁帶”的蛋白質材料特性入手提出了一個關鍵假設：由于細胞大小有限，材料越細越柔軟則能在同樣的空間里變得更長，從而記錄更長時間、更多種類的信息。因此，他們盡可能將細胞磁帶做得更細更柔軟。

“細胞磁帶能像真正的磁帶那樣在細胞內彎曲甚至卷起來，這種設計也為磁帶變得更長奠定了基礎。”令狐昌洋介紹道。

圖丨小鼠神經元中的細胞磁帶（來源：Nature）

如何實現多重、跨數周尺度的細胞記錄？

為實現長記錄時間和多通道記錄，需要設計出一種能在活細胞內穩定、持久、安全、有序組裝的特殊蛋白質結構。這是一個蛋白質工程的難題。由于該方向的文獻和既有經驗相對較少，因此研究團隊進行了多種方法的探索。

最初，他們嘗試用擴散模型，即直接讓 AI 生成這些組成磁帶的蛋白質模塊。盡管 AI 生成的設計在細胞內產生了線性結構，但它與現有設計在性能上還有一定差距。

令狐昌洋對 DeepTech 解釋說道：“這就像是我們已經有了自行車，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，研究人員繼續嘗試不再讓 AI 完全從頭生成，而是給出已有的最好設計，再讓它搜索單點突變進行改進。他們找到一個包含 L349K 突變的單體設計，能夠在活細胞中自組裝成長期保持纖細、穩定、柔韌的絲狀纖維。

在這個階段，“單車”已經升級為“摩托車”。研究人員進一步提出：能不能通過人類的思維進行進一步的理性設計？

他們對現有蛋白質設計的三個區域分別做出了多種改變，比如把某個區域縮短，進行類似于蛋白質剪枝的調整，或調整區域的順序。研究人員發現，通過縮短連接子、C 端標簽重定位以及截短絕緣體區域，“單車”已經逐步升級為“汽車”。

出乎研究人員意料的是，當他們將上述的 AI 和人類產生的數種改進組合在一起時，新的蛋白質設計被研究人員拼裝成了一個“跑車”，產生的柔性細胞磁帶的精度甚至能區分 30 分鐘前后的兩個時間信號，并且能持續記錄長達 21 天。“這也驗證了我們設計流程的合理性和有效性。”令狐昌洋表示。

圖丨細胞磁帶通過彩色標簽記錄基因表達動態（來源：Nature）

回放生命的“交響樂章”：解碼大腦與疾病的動態過程

由于每個細胞的“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] 的時間戳機制：像時間標尺一樣每隔一段時間就在磁帶上加上時間標記，以此校準不同細胞的錄制節奏，讓細胞磁帶上的時間標記與真實世界同步。

研究人員通過 AI 設計的蛋白質構建了能夠慢慢生長的一維鏈條，將時間信息編碼到蛋白纖維的空間位置中，并通過不同顏色記錄不同的細胞信號和基因信號。

在小鼠的活體大腦中試驗成功后，研究團隊還進一步在海馬體和大腦皮層等常見區域進行實驗。通過為小鼠注射海人酸，讓它產生類似癲癇的行為學活動，并成功記錄了小鼠在癲癇發作時基因表達的變化。

有了這些經驗，研究人員在不同的細胞種類中繼續驗證了 CytoTape 的功能，包括小鼠神經元、小鼠神經膠質細胞、人源胚胎腎細胞（HEK293T）以及人源宮頸癌細胞（HeLa）。

圖丨細胞磁帶記錄基因調控動態的連續信號波形（來源：Nature）

研究團隊演示了在單細胞內同時記錄五種不同基因調控動態的能力，包括 c-fos、Arc、Egr1、Npas4、CREB。這種多路復用記錄揭示了個體細胞反應的異質性，例如在同樣的刺激下，不同神經元的基因激活波形并不一樣，有的簡單而有的卻很復雜。

（來源：Nature）

此外，他們還發現了一些有趣的生物學現象：CREB 的激活并不總是導致下游 Fos 基因的穩定表達。令狐昌洋解釋說道：“Fos 有點像小孩而 CREB 則像是家長。當 Fos 在 CREB 開啟之前就較為活躍時，Fos 常常會出現與 CREB 不一致的活動；而當 Fos 比較安靜時，它就非常愿意聽 CREB 的話。”

總體而言，研究人員同時實現了單細胞精度和規模化記錄：在神經細胞中最長可記錄 21 天基因調控動態，最多能夠在同一細胞內同時記錄五種基因信號，并能同時讀取細胞的空間位置信息。

這些現象和發現對于理解復雜的細胞生理過程具有重要意義，就像在交響曲中我們不僅能夠聽到鋼琴、小提琴等各種樂器的演奏，還能聽到它們之間的協作。同時觀察多種基因調控信號，意味著可以了解不同信號在時間上的耦合特征。

盡管現有的空間組學技術同樣具有空間分辨率，但其重點是抓拍大量分子的靜態快照。與之不同的是，CytoTape 能夠動態記錄幾種關鍵細胞信號的歷史軌跡。研究人員基于 CytoTape 的時間分辨率可以根據信號和事件的先后順序，對藥物干預或行為刺激下的細胞響應進行因果推斷。

圖丨細胞磁帶規模化地讀取細胞信號（來源：Nature）

規模化讀取生物體細胞內的時空信號和活動，對于理解大腦和疾病的相關研究尤為重要，特別是比較不同種類的細胞、不同區域的細胞之間的協作現象。

未來，研究團隊希望能在 AI 的輔助下觀察更多基因并進行動態分析，進而解碼大腦細胞集群的工作協作機制。學習、記憶、認知和意識等功能都由大腦產生，借助 AI for Biology 的規模化應用，有望理解細胞集群的協作是如何涌現出這些功能的，以及疾病是如何破壞這種協作的。

CytoTape 不只是一種工具，而是在改變“如何規模化研究細胞”的方式。研究團隊希望未來與其他生物技術開發者和生物醫學研究者合作，共同增強大規模細胞交互技術，助力解碼細胞的“交響樂”和生命的機理。

令狐昌洋實驗室（Spatial Biodynamics Lab）的研究方向是神經科學和生物技術，歡迎對該方向感興趣的博士后和博士生申報加入該實驗室。

圖丨從左至右依次為：鄭力榮、時冬青、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.令狐昌洋實驗室 https://www.spatialbiodynamics.org

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