Cell | 生物傳感器條形碼深入了解細胞信號網(wǎng)絡

原創(chuàng)?風不止步?圖靈基因?2021-12-13 07:03

收錄于話題#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：風不止步

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生物傳感器條形碼提供一種可擴展的方法來擴展多路復用能力，以破譯信號網(wǎng)絡的復雜性及其細胞之間的相互作用。

重點：

可以在條形碼細胞中同時跟蹤大量熒光生物傳感器；

生物傳感器活動在混合的條形碼細胞群中同步；

深度學習模型有助于生物傳感器條形碼的圖像分析；

同時生物傳感器跟蹤揭示信號網(wǎng)絡結構和相互作用；

2021年11月26日，我國臺灣的黃傳祥博士等人在《Cell》上發(fā)表了一篇“Deciphering cell signaling networks with massively multiplexed biosensor barcoding.”的文章，表達不同生物傳感器的條形碼細胞混合物通過深度學習模型同時成像和分析，實現(xiàn)了對信號事件的大規(guī)模多路復用跟蹤。細胞混合物中的不同生物傳感器表現(xiàn)出高度協(xié)調(diào)的活動，從而有助于描繪它們的時間關系。同時跟蹤受體酪氨酸激酶信號網(wǎng)絡中的多個生物傳感器揭示效應器適應的不同機制、KRAS?突變的細胞自主和非自主效應，以及網(wǎng)絡中復雜的相互作用。

要了解細胞中信號、代謝和其他生化活動之間復雜的調(diào)節(jié)關系，有必要研究它們在多種擾動條件下的動力學。基因編碼的熒光生物傳感器提供了一種多功能工具，可以連續(xù)監(jiān)測活細胞中的各種生化活動，同時揭示在整體測量中被掩蓋的細胞間變異性。熒光生物傳感器的一個主要缺點是由于熒光蛋白?(FP)?的寬發(fā)射光譜和光譜空間的有限可用性，它們的多路復用能力有限。通過開發(fā)遠紅/紅外熒光團、用單熒光團設計替換兩個熒光團生物傳感器和計算多路復用來揭示時空關系，已致力于擴大光譜范圍生物傳感器之間。盡管有這些改進，但同時成像的生物傳感器不超過少數(shù)。

為克服這一限制，作者開發(fā)了一種“生物傳感器條形碼”方法，用于高度多重跟蹤熒光生物傳感器。關鍵思想是用由針對不同亞細胞位置的不同熒光團制成的條形碼蛋白標記細胞。然后使用條碼蛋白的組合來生成條碼，該條碼可唯一識別表達特定生物傳感器的細胞。為并行跟蹤多個活動，在延時顯微鏡實驗中對混合的條形碼細胞群進行成像。來自具有相同條形碼的細胞活動匯集在一起以獲得相應生物傳感器的時間分布。方法與發(fā)射波長在450 nm和550 nm之間的任何生物傳感器兼容，包括大多數(shù)現(xiàn)有的FRET或單熒光團生物傳感器。

針對各種應用同時跟蹤多個生物傳感器的需求日益增加。在一項研究中，將表達靶向不同亞細胞位置的生物傳感器的三種不同細胞群共培養(yǎng)以進行同步成像。在此策略中，多樣性僅限于可以在顯微圖像中可靠區(qū)分的站點數(shù)量。唯一可通用的多路生物傳感器成像方法是最近報道的“信號報告島”方法，其中不同的生物傳感器聚集在細胞的不同位置，以實現(xiàn)信號的空間分離。然而，該方法技術要求高，需要費力的后成像樣本處理和分析來識別每個簇中的生物傳感器，并且與基于易位的生物傳感器不兼容。更一般地，在同一細胞中表達多個生物傳感器的一個問題是生物傳感器之間可能的相互作用或干擾。生物傳感器條形碼方法通過提供一種簡單的方法來同時跟蹤大量現(xiàn)有的熒光生物傳感器，無論它們是基于FRET、強度還是易位，只要它們的發(fā)射落在CFP?到YFP（450 nm到550 nm)光譜范圍。

高通量成像還可用于并行跟蹤大量生物傳感器。然而，文章證明從物理分離的細胞群中獲得的生物傳感器活性的顯著變化。同時發(fā)現(xiàn)表達不同生物傳感器的混合細胞使它們對擾動的反應同步，正如同一成像實驗中的協(xié)調(diào)活動所證明的那樣，但在實驗重復之間則不然。除了生物傳感器活動的同步之外，識別混合物中不同細胞群的能力是使用其他方法難以實現(xiàn)的，并且將在研究細胞間相互作用中找到廣泛的應用。

使用生物傳感器條形碼，發(fā)現(xiàn)RTK信號網(wǎng)絡中多個下游通路的不同動力學特性。據(jù)報道，鈣波在各種組織中顯示出可興奮系統(tǒng)的特征。有趣的是發(fā)現(xiàn)鈣反應也是全有或全無，但與?PI3K和ERK反應相比具有更高的閾值，這表明鈣信號屬于不同的可興奮網(wǎng)絡。此外，盡管RasPI3K-ERK信號傳導和RTK的其他下游效應器之間存在廣泛的串擾，但FAK、Src、Syk?和Rho GTPase?的反應不是可興奮的，但表現(xiàn)出可能涉及負反饋機制的劑量依賴性適應。不同類別效應器顯示的特征的分子基礎將是理解RTK信號網(wǎng)絡的結構和功能的關鍵，這是許多臨床批準的治療方法的目標。

鑒于熒光生物傳感器的清單不斷增加，最近的評論列出了170種細胞目標的一千多種設計，包括酶、電壓、離子和代謝物，設想可以找到廣泛的應用，例如重建復雜的分子網(wǎng)絡，描繪不同細胞類型之間的信號相互作用，并確定藥物靶向的分子途徑。此外，生物傳感器條形碼可以通過并排比較促進新生物傳感器的開發(fā)多種生物傳感器設計的靈敏度和動態(tài)范圍。新開發(fā)的生物傳感器將進一步擴展生物傳感器條形碼技術。雖然只展示了使用CFP-YFP FRET?和GFP生物傳感器的條形碼，但我們的技術可以很容易地適應其他類型的具有相似發(fā)射光譜的熒光或生物發(fā)光生物傳感器。

教授介紹

黃傳祥博士約翰霍普金斯大學醫(yī)學院（馬里蘭州）

黃博士在獲得國立臺灣大學（臺灣）博士學位之前完成了兩年的內(nèi)科住院醫(yī)師培訓。在來自約翰霍普金斯大學免疫學研究生項目中，解決了最重要的癌癥驅(qū)動因素之一PI3K蛋白的結構；目前的研究重點是細胞過程和癌癥中涉及RTK、Ras、PI3K和ERK的信號網(wǎng)絡的動力學、結構和功能；發(fā)表大量論文，包括《科學》、《自然細胞生物學》、《自然通訊》和《細胞》上的論文；獲得許多獎項，包括國際數(shù)學奧林匹克銀牌、梅特斯特蘭德獎、朱利安鮑默特獎和達蒙魯尼恩獎學金。

參考文獻

Jr-Ming Yang, Wei-Yu Chi et al.Deciphering cellsignaling networks with massively multiplexed biosensor barcoding.(2021)