細(xì)胞也有“年輪”？科學(xué)家造出可回溯生命歷史的記憶體

假如細(xì)胞也有“年輪”，那科學(xué)家會不會更容易讀懂生命歷史？一項(xiàng)最新研究正在將這種設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)林鼎昌教授團(tuán)隊(duì)與諾獎得主、美國華盛頓大學(xué) David Baker 教授合作，開發(fā)了一種基因編碼的細(xì)胞內(nèi)“記憶體”GEMINI（Granularly Expanding Memory for Intracellular Narrative Integration），來回溯每個細(xì)胞的歷史。

開發(fā) GEMINI 的思路是把“時間”帶回固定樣本：研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種細(xì)胞內(nèi)蛋白自組裝作為信息的讀寫載體，在自組裝過程中，可以將胞內(nèi)信號以熒光條帶的形式持續(xù)寫入。

通過引入“時間戳”，這些信息可以像樹的年輪那樣映射到絕對時間軸上。研究團(tuán)隊(duì)證明，GEMINI 在體內(nèi)可記錄小時級的細(xì)胞動態(tài)過程，并且連續(xù)記錄數(shù)天甚至一周以上。

簡單來理解這項(xiàng)技術(shù)，它就像在細(xì)胞內(nèi)部安裝了一臺生長記錄儀。只要細(xì)胞每次經(jīng)歷信號變化，都會在該結(jié)構(gòu)上留下新的“時間條紋”，最終成為可記錄、可回放的細(xì)胞“錄像”。

更重要的是，“記憶體”由細(xì)胞自己“生產(chǎn)”，并把自己經(jīng)歷過的事情寫入記憶體的結(jié)構(gòu)中。它最大的優(yōu)勢在于，每個細(xì)胞都能擁有獨(dú)有的記憶體，為全器官的動態(tài)解析提供了可能性。

“GEMINI 在腫瘤異種移植模型中能夠?qū)崿F(xiàn)全腫瘤的表達(dá)與記錄，這是以往工具難以實(shí)現(xiàn)的能力，我們希望這項(xiàng)技術(shù)能為細(xì)胞生物學(xué)與神經(jīng)科學(xué)研究打開新的實(shí)驗(yàn)范式，并創(chuàng)造更多的可能性。”林鼎昌對 DeepTech 表示。

圖丨左至右：林鼎昌，嚴(yán)宇清，陸家禧，李喆（來源：受訪者）

近日，相關(guān)論文以《遺傳編碼的組裝式記錄儀實(shí)現(xiàn)細(xì)胞歷史的時間分辨解析》（Genetically encoded assembly recorder temporally resolves cellular history）為題發(fā)表在 Nature[1]。約翰斯·霍普金斯大學(xué)博士生嚴(yán)宇清、陸家禧和華盛頓大學(xué)李喆博士（現(xiàn)南方科技大學(xué)教授）是論文共同第一作者，林鼎昌教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

給細(xì)胞裝上“記錄儀”，打破生命黑箱

傳統(tǒng)的終點(diǎn)分析方法如同拍攝一張靜態(tài)圖片，只能解析某個特定時刻的狀態(tài)，卻看不到細(xì)胞走到這一步的具體步驟。實(shí)際上，很多關(guān)鍵過程發(fā)生在更早之前，而終點(diǎn)分析往往忽略了這些重要的細(xì)節(jié)。

相反，實(shí)時熒光成像（長時間盯拍）能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)終點(diǎn)分析的短板，可像拍攝視頻那樣提供高清晰的動態(tài)過程。但其難點(diǎn)在于必須長期盯著同一批細(xì)胞：在真實(shí)組織里，細(xì)胞密度往往很高且三維空間排布，由于它們在體內(nèi)是高度動態(tài)的，因此難以精準(zhǔn)定位。

此外，活體組織通常是不透明的，熒光成像難以覆蓋深層組織，信號會受散射影響，還存在光毒性和漂白問題，時間越長越難保持信號穩(wěn)定。最后或許能夠在單細(xì)胞層面看得很清楚，但也只限于在很短時間內(nèi)看到了很少數(shù)量。

那么，在器官尺度的組織微環(huán)境中，究竟關(guān)心什么時間尺度的動態(tài)過程？在某些組織以及特定的科學(xué)問題中，超快的信號（例如腦部神經(jīng)電生理）很有必要，但在更多的情況下，分鐘到小時尺度的時間分辨率對于細(xì)胞動態(tài)追蹤和分析已經(jīng)足夠。

（來源：Lin Lab）

研究團(tuán)隊(duì)提出，在這種時間尺度下，“實(shí)時盯梢”或許并不是最優(yōu)解，特別是當(dāng)關(guān)心細(xì)胞的空間分布以及希望對組織中大量甚至所有細(xì)胞同時監(jiān)測的情況。于是，他們將研究重點(diǎn)放在“事后回溯”上。

林鼎昌解釋道：“GEMINI 的本質(zhì)是一個終點(diǎn)分析方法，我們的想法是，如果我們能夠把時間信息帶回到固定的組織樣品中，則完全有可能在高通量、空間信息保留的情況下，實(shí)現(xiàn)在小時甚至分鐘時間尺度下的單細(xì)胞動態(tài)解析。”

把“年輪”裝進(jìn)細(xì)胞，空間和時間終于能兼得

多年來，科學(xué)家嘗試開發(fā)了各種基于基因編輯的核酸類記錄工具。這些工具雖然在細(xì)胞譜系示蹤方面具有重要應(yīng)用，但它在細(xì)胞活動的實(shí)時追蹤方面有幾個致命短板：基因編輯的動力學(xué)較慢，導(dǎo)致難以捕捉小時級或更快的動態(tài)過程；目前編輯的效率不高，導(dǎo)致有些細(xì)胞標(biāo)記不完全，缺乏單細(xì)胞分辨率；基于測序的讀取通常需要破壞組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致空間信息的丟失。

GEMINI 作為一個基于蛋白的記錄工具，把“寫入”變成一個更直接的過程：細(xì)胞把信號轉(zhuǎn)成某種帶熒光的蛋白表達(dá)，這些蛋白會被“實(shí)時”收進(jìn)生長結(jié)構(gòu)里。讀出則是直接在原位看到紋理，從而把空間與時間盡可能同時保留下來。

之前，林鼎昌團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)開發(fā)了基于線性蛋白組裝的胞內(nèi)記錄工具 [2]。然而，對于線性蛋白組裝來說，它的讀取精度很大程度取決于空間取向，當(dāng)線性蛋白不在焦平面上，難以通過二維成像可靠地讀取信息。GEMINI 的其中一項(xiàng)創(chuàng)新在于采用三維各向同性生長方式，信息在各個方向的記錄是一致的。因此，無論它空間取向如何均能可靠讀出信息，為高通量讀取與分析提供了可行路徑。

（來源：Nature）

從 GEMINI 記錄的原理來看，它與樹木用年輪記錄具有異曲同工之妙。二者的共同點(diǎn)在于在生長過程中把信息記錄下來：年輪每過一年增加一圈，而 GEMINI 每經(jīng)歷一段細(xì)胞時間就會增加一圈熒光條紋。不同之處在于，年輪圈數(shù)用于判斷地理事件發(fā)生的時間，而 GEMINI 記錄的是細(xì)胞的動態(tài)歷史，通過對應(yīng)的“時間戳”幫助回溯事件發(fā)生的時間。

最難的不是設(shè)計(jì)，是讓蛋白質(zhì)“剛剛好”開始生長

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，這項(xiàng)研究中最大挑戰(zhàn)在于如何調(diào)控蛋白質(zhì)自組裝的形核過程。他們不希望形核太容易，因?yàn)樾魏颂菀壮３谕粋€細(xì)胞內(nèi)形成多個核互相競爭生長，給后續(xù)解析帶來難題。與此同時，也不希望形核太難，否則形核時間點(diǎn)會非常滯后且不同步，影響時間窗口的確定。現(xiàn)實(shí)中這個形核能的窗口很小，需要通過精細(xì)的蛋白設(shè)計(jì)結(jié)合蛋白工程/篩選來尋找。

此外，通過形核能的篩選的蛋白質(zhì)并不一定適合作為 GEMINI，它還需要蛋白自組裝對細(xì)胞的擾動盡可能小。研究團(tuán)隊(duì)在篩選方面投入了大量的精力，最后得到了論文中使用的版本，這是在結(jié)合了形核能優(yōu)化及細(xì)胞兼容性篩選之后最優(yōu)的版本。

回憶 GEMINI 從無到有、從概念到實(shí)物的過程，林鼎昌說道：“現(xiàn)在回想起第一次在細(xì)胞內(nèi)得到漂亮的蛋白自組裝以及第一次在小鼠大腦中表達(dá)成功的時刻，仍然讓我們感覺興奮不已，并第一時間與遠(yuǎn)在西雅圖的合作者們分享了這個結(jié)果。”

（來源：Nature）

但研究團(tuán)隊(duì)并沒有駐足于此，直到他們第一次用自主構(gòu)建的簡單模型近乎完美地解析了時間的信息。

“這是一個相當(dāng)意外的結(jié)果。我們當(dāng)時并沒有想到能這么準(zhǔn)確，畢竟相比于一維生長，三維生長的過程是非線性的，這給解析帶來了一定的難度。”林鼎昌表示。

實(shí)際上，研究團(tuán)隊(duì)很早就做好了心理建設(shè)，準(zhǔn)備好幾套方案來解決這個難題（例如用機(jī)器學(xué)習(xí)方法）。他坦言，能夠用一個簡單的模型進(jìn)行解析，讓我們重新認(rèn)識了胞內(nèi)自組裝的過程，以及它的可靠性和可重復(fù)性。

大腦活動、腫瘤演化，終于有了“回放鍵”

值得關(guān)注的是，在培養(yǎng)細(xì)胞中，GEMINI 能分辨間隔 15 分鐘的信號，對炎癥因子的檢測靈敏度比傳統(tǒng)方法高出 2 個數(shù)量級。在體內(nèi)驗(yàn)證中，GEMINI 在細(xì)胞、組織以及動物行為層面均表現(xiàn)出優(yōu)異的組織相容性。

研究人員進(jìn)一步將其用于記錄，并回溯腫瘤異種移植（xenograft）中炎癥相關(guān)通路的時空響應(yīng)圖譜，在小鼠大腦中實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)錄及癲癇相關(guān)信號的時空信息記錄。

15 分鐘分辨率意味著，很多過去會被看成“一次持續(xù)激活”的過程，現(xiàn)在可以拆成更細(xì)的脈沖、間歇與先后次序。對于許多信號通路來說，細(xì)胞并不是只在乎有沒有信號，而是更在乎信號是瞬時的、反復(fù)的，還是持續(xù)的。“分辨率顯著提升后，我們更容易將不同的動態(tài)模式和不同的細(xì)胞命運(yùn)建立對應(yīng)關(guān)系。”林鼎昌說。

靈敏度提高意味著以前必須用很強(qiáng)的刺激、才能在群體平均里看到變化；現(xiàn)在可以在更接近真實(shí)生理水平的條件下，捕捉微弱但關(guān)鍵的事件。

一個直觀例子是，在癌細(xì)胞耐藥中，一些耐藥并不是突然獲得，而是經(jīng)歷了多輪壓力后逐步進(jìn)入一種保護(hù)狀態(tài)。林鼎昌進(jìn)一步指出，過去我們常看到的是最后活下來的細(xì)胞是什么樣，但不知道它們此前經(jīng)歷了多少次、什么節(jié)奏的應(yīng)激。現(xiàn)在我們有機(jī)會在同一個腫瘤微環(huán)境里，把不同細(xì)胞經(jīng)歷過的刺激歷史拉出來對比：耐藥細(xì)胞是否更像多次短暫刺激的累積結(jié)果，還是來自某一次強(qiáng)刺激觸發(fā)。

（來源：Nature）

生命體系的很多關(guān)鍵問題都是受制于時間分辨率。“目前，我們已經(jīng)能非常精準(zhǔn)測到基因表達(dá)、蛋白豐度、空間位置，但在很多真實(shí)場景里，細(xì)胞最在乎的恰恰是動態(tài)過程：刺激出現(xiàn)的節(jié)奏、持續(xù)時間、間隔、疊加順序。”林鼎昌說。

空間和時間信息的結(jié)合可能會帶來顛覆性的認(rèn)知，GEMINI 的定制化細(xì)胞內(nèi)器件有望應(yīng)用于腫瘤與免疫、大腦研究和胚胎發(fā)育與再生等領(lǐng)域。

同一腫瘤里細(xì)胞處在不同的氧氣、營養(yǎng)、免疫壓力下，信號高度不均一。將動態(tài)記錄擴(kuò)展到整個組織尺度，有可能為回答什么樣的刺激歷史更容易導(dǎo)向侵襲、轉(zhuǎn)移或免疫逃逸提供支持。

神經(jīng)系統(tǒng)里很多過程并非一次事件，而是長期活動模式的累積。如果能在空間上覆蓋更大區(qū)域、在時間上保留活動歷史，就可能把“哪類活動模式”與“哪類可塑性或行為改變”更直接地對應(yīng)起來。

發(fā)育過程中的先后順序尤其重要。空間上相鄰的細(xì)胞，因?yàn)榻?jīng)歷的信號節(jié)奏不同，可能走向完全不同的分化路線。如果能把歷史寫下來，有望幫助研究人員將發(fā)育的因果鏈拉直。

不只是記錄，GEMINI 正在變成一個可編程平臺

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，從原理上來看，只要某種細(xì)胞狀態(tài)或事件能夠通過啟動子/轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)換成報(bào)告亞基的表達(dá)變化，就有機(jī)會被 GEMINI 寫入。因此它更像一個可編程的平臺：可通過更換“觸發(fā)開關(guān)”記錄不同通路、不同應(yīng)答、不同細(xì)胞類型特異的事件。

在下一代 GEMINI 開發(fā)中，研究團(tuán)隊(duì)希望實(shí)現(xiàn)更長時間窗口、更穩(wěn)定的寫入，讓記錄能可靠拓展到更長時間，同時降低背景與細(xì)胞負(fù)擔(dān)。與此同時，他們還致力于向更高的可編程性與通用性方面發(fā)展，即把“換一個啟動子就能記錄另一類事件”做得更標(biāo)準(zhǔn)化、更易用，并降低不同實(shí)驗(yàn)室遷移的門檻。

“我們希望未來能夠在更復(fù)雜的組織與疾病模型中檢驗(yàn)它的價值，包括更大尺度的空間覆蓋、更真實(shí)的微環(huán)境干擾下是否仍能清晰讀出時間線。最終，讓更多人使用 GEMINI，盡可能讓該工具幫助拓寬知識的邊界。”

參考資料：

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

2.https://www.nature.com/articles/s41587-022-01524-7

運(yùn)營/排版：何晨龍