Nature：華人團(tuán)隊(duì)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出細(xì)胞內(nèi)的“生命年輪”，利用AI設(shè)計(jì)蛋白記錄并解讀單個(gè)細(xì)胞歷史，精度達(dá)小時(shí)級

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

細(xì)胞會不斷改變其分子狀態(tài)以響應(yīng)內(nèi)部和外部的刺激。在組織中以時(shí)空精度繪制細(xì)胞活動,對于理解器官生理學(xué)、病理學(xué)和再生過程至關(guān)重要。然而，當(dāng)前的細(xì)胞傳感方式主要依賴于要么獲取靜態(tài)快照的終點(diǎn)分析，要么監(jiān)測少量細(xì)胞的實(shí)時(shí)傳感。

2026 年 3 月 3 日，約翰·霍普金斯大學(xué)林鼎昌團(tuán)隊(duì)聯(lián)合諾獎(jiǎng)得主David Baker教授，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Genetically encoded assembly recorder temporally resolves cellular history 的研究論文。

該研究開發(fā)了一個(gè)細(xì)胞內(nèi)記錄平臺——GEMINI（GranularlyExpandingMemory forIntracellularNarrativeIntegration，細(xì)胞內(nèi)敘事整合的顆粒擴(kuò)展記憶）。該平臺利用計(jì)算設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)組裝體作為細(xì)胞內(nèi)記憶裝置，能夠以小時(shí)級精度記錄單個(gè)細(xì)胞的活動歷史，為理解疾病發(fā)生、器官再生等生命過程提供了前所未有的新工具。

GEMINI 可在活細(xì)胞內(nèi)以可預(yù)測的方式生長，將細(xì)胞事件捕獲為類似樹木年輪的熒光模式，從而實(shí)現(xiàn)基于成像的追溯性讀取，對細(xì)胞活動歷史的絕對時(shí)間信息可達(dá)到小時(shí)級的精度。GEMINI 能有效繪制 NFκB 介導(dǎo)的差異性轉(zhuǎn)錄變化圖譜，解析快至 15 分鐘的動力學(xué)過程，并提供可量化的信號幅度。在異種移植模型中，GEMINI 記錄了炎癥誘導(dǎo)的組織內(nèi)信號傳導(dǎo)動態(tài)，揭示了與血管密度相關(guān)的空間異質(zhì)性。當(dāng)在小鼠大腦中表達(dá)時(shí)，GEMINI 對神經(jīng)元功能影響極小，并能解析神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄變化和活動模式。

總體而言，GEMINI 為培養(yǎng)體系和完整組織中生理及病理過程背后的細(xì)胞動力學(xué)研究，提供了一種穩(wěn)健且可推廣的時(shí)空圖譜繪制方法。

細(xì)胞記錄：生物學(xué)研究的“圣杯”

要理解細(xì)胞在復(fù)雜組織中的活動，就像試圖通過幾張靜態(tài)照片還原一部電影的情節(jié)。傳統(tǒng)方法要么只能觀察大量細(xì)胞的“集體快照”，要么只能實(shí)時(shí)監(jiān)測少數(shù)細(xì)胞，但都無法同時(shí)獲得時(shí)間、空間和單細(xì)胞分辨率的完整信息。

更棘手的是，現(xiàn)有記錄技術(shù)存在諸多限制：核酸編輯效率低、讀取需要破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、線性組裝體會干擾細(xì)胞膜和細(xì)胞分裂過程等。

GEMINI的誕生，正是為了解決這些長期困擾生物學(xué)家的難題。這個(gè)全稱為“GranularlyExpandingMemory forIntracellularNarrativeIntegration”（細(xì)胞內(nèi)敘事整合的顆粒擴(kuò)展記憶）的平臺，巧妙地將計(jì)算設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)組裝體轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)記憶設(shè)備。

GEMINI：蛋白質(zhì)“積木”搭建記憶顆粒

GEMINI的核心是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)組裝體，它由三種關(guān)鍵組件構(gòu)成——

• 支架亞基：負(fù)責(zé)穩(wěn)定生長，搭建顆粒骨架，確保穩(wěn)定可預(yù)測的組裝；

• 報(bào)告亞基：充當(dāng)感應(yīng)器，將細(xì)胞事件轉(zhuǎn)化為可記錄的熒光信號，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生特定事件（例如激活某個(gè)信號通路）時(shí)，這類亞基產(chǎn)量大增，并入生長的顆粒，形成一圈獨(dú)特的“標(biāo)記層”。

• 時(shí)間戳亞基：由研究人員在特定時(shí)間點(diǎn)主動提供，像“時(shí)間戳”一樣打入顆粒，為整個(gè)顆粒的生長過程提供時(shí)間刻度。

這個(gè)系統(tǒng)的工作原理令人驚嘆：在活細(xì)胞內(nèi)，這些蛋白質(zhì)亞基像積木一樣有序組裝，形成顆粒狀的記憶結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間推移，GEMINI 顆粒一層層生長，將細(xì)胞經(jīng)歷的事件序列和信號強(qiáng)度，像樹木年輪一樣，以不同熒光顏色的同心圓環(huán)形式，永久記錄下來。只需在顯微鏡下觀察這個(gè)顆粒，就能“讀取”細(xì)胞的活動歷史。

與以往的線性記錄器不同，GEMINI 的顆粒狀、各向同性生長特性帶來了革命性優(yōu)勢：它從一維拓展至三維，且比細(xì)胞在所有維度上都小，極大減少了對細(xì)胞的機(jī)械干擾；無論方向如何，都能準(zhǔn)確讀取信號，為大規(guī)模自動化分析鋪平道路。

GEMINI 的概念與特征

突破性設(shè)計(jì)：從計(jì)算到實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合

自然界中適合作為細(xì)胞內(nèi)記錄支架的蛋白質(zhì)組裝體極為有限。研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，結(jié)合計(jì)算設(shè)計(jì)和多級篩選，創(chuàng)造了全新的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組裝體變體。他們首先采用分層組裝策略，將具有適當(dāng)對稱性的雙組分蛋白質(zhì)籠對接成三維晶格。通過引入 Rosetta 預(yù)測的突變，擴(kuò)大了候選庫的多樣性。

在體外篩選后，研究團(tuán)隊(duì)在人胚胎腎細(xì)胞中表達(dá)這些變體。令人興奮的是，所有變體都顯示出清晰的細(xì)胞內(nèi)沉淀物，證明了設(shè)計(jì)和篩選策略的有效性。

最終，Lattice #1-v2 變體因其早期同步成核特性被選為 GEMINI 的支架亞基。這個(gè)變體不僅在人胚腎細(xì)胞中表現(xiàn)優(yōu)異，還在多種哺乳動物細(xì)胞系中高效成核，顯示出廣泛的適用性。

精準(zhǔn)記錄：小時(shí)級時(shí)間分辨率

GEMINI最令人印象深刻的能力之一是它的時(shí)間記錄精度。通過整合兩個(gè)或多個(gè)時(shí)間戳，系統(tǒng)能夠獲取信號的絕對時(shí)間信息，精度達(dá)到小時(shí)級。

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)引入模擬細(xì)胞內(nèi)信號的人工染料，測試 GEMINI 的解碼準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，75.9% 的單顆粒解碼結(jié)果與真實(shí)時(shí)間誤差在 ±1 小時(shí)內(nèi)，98.2% 在 ±2小 時(shí)內(nèi)，100% 在 ±3 小時(shí)內(nèi)。

更令人驚嘆的是，GEMINI 能夠區(qū)分間隔僅 15 分鐘的連續(xù)事件。這種時(shí)間分辨率對于捕捉許多生理過程的快速動態(tài)至關(guān)重要。

生理信號記錄：從細(xì)胞到活體大腦

GEMINI不僅能記錄人工信號，還能捕捉真實(shí)的生理事件。研究團(tuán)隊(duì)通過活動依賴性表達(dá)報(bào)告亞基，成功記錄了 NF-κB 信號介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄動態(tài)。NF-κB 是免疫和炎癥反應(yīng)中的關(guān)鍵信號通路。GEMINI 利用合成啟動子驅(qū)動報(bào)告亞基表達(dá)，成功記錄了 TNF-α 誘導(dǎo)的 NF-κB 激活和去激活過程。

GEMINI 在活細(xì)胞中記錄多個(gè)事件和動態(tài)變化

在異種移植模型中，GEMINI 記錄了炎癥誘導(dǎo)的信號動態(tài)，并揭示了與局部血管密度相關(guān)的空間異質(zhì)性，這為理解腫瘤微環(huán)境中的細(xì)胞響應(yīng)提供了新視角。

GEMINI 在體內(nèi)記錄炎癥反應(yīng)

GEMINI 的潛力不僅限于培養(yǎng)細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)將這一系統(tǒng)表達(dá)在小鼠大腦中，發(fā)現(xiàn)它對神經(jīng)元存活和功能影響極小，動物保持了正常的運(yùn)動和認(rèn)知行為。在生理背景下，GEMINI 成功解析了大腦中神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄變化和活動模式。

將 GEMINI 應(yīng)用于小鼠大腦

這一突破為研究學(xué)習(xí)、記憶和神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了前所未有的工具——可以通過“回放”特定神經(jīng)元在特定時(shí)間段內(nèi)的活動歷史，將對理解神經(jīng)回路功能、疾病機(jī)制和藥物作用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

技術(shù)優(yōu)勢：為什么 GEMINI 是革命性的？

與以往技術(shù)相比，GEMINI具有多重優(yōu)勢。它的顆粒狀結(jié)構(gòu)避免了線性組裝體對細(xì)胞膜的機(jī)械干擾；各向同性生長確保了方向無關(guān)的信號讀取；高時(shí)間分辨率能夠捕捉快速動態(tài)事件。

GEMINI 的模塊化設(shè)計(jì)使其易于適應(yīng)不同的信號通路。通過更換報(bào)告亞基的調(diào)控元件，理論上可以記錄任何可轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)錄響應(yīng)的細(xì)胞事件。

此外，GEMINI 的成像讀取方式保留了細(xì)胞和組織的空間信息，這是測序方法無法比擬的優(yōu)勢。結(jié)合自動化圖像分析，GEMINI 有望實(shí)現(xiàn)高通量的細(xì)胞歷史分析。

GEMINI 平臺的成功開發(fā)，為在細(xì)胞水平上繪制器官范圍內(nèi)的時(shí)空圖譜提供了一條清晰的道路，標(biāo)志著細(xì)胞生物學(xué)研究的一個(gè)新時(shí)代。從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)都有著廣闊的前景。未來，我們或許能夠“讀取”疾病發(fā)展過程中關(guān)鍵細(xì)胞的完整歷史，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供前所未有的洞察。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10323-y