Новый молекулярный зонд из Стэнфордского университета может помочь выявить, как наш мозг думает и запоминает. Этот инструмент, называемый быстрым светом и регулируемой кальцием экспрессией или FLiCRE (произносится как "мерцание"), может быть отправлен внутрь любой клетки для выполнения различных исследовательских задач, включая маркировку, запись и контроль клеточных функций.

"Эта работа достигает центральной цели нейробиологии: как вы находите систему нейронов, лежащую в основе мысли или когнитивного процесса? Нейробиологи давно мечтали о таком инструменте", - сказала Элис Тинг, профессор генетики в Стэнфордской школе медицины и биологии в школе гуманитарных наук и наук, чья команда совместно руководила этой работой с лабораторией Стэнфордского психиатра и биоинженера Карла Дейссерота.

В экспериментах по доказательству концепции, подробно описанных в статье, опубликованной 11 декабря в журнале Cell, исследователи использовали FLiCRE, чтобы сделать снимок нейронной активности, связанной с поведением избегания у мышей. Связав снимок FLiCRE с секвенированием РНК, они обнаружили, что эти активированные нейроны в основном принадлежат к одному типу клеток, который был недоступен только с помощью генетических инструментов. Затем они использовали FLiCRE в сочетании с опсином—белком для управления нервной активностью с помощью света, разработанным Deisseroth,—чтобы реактивировать те же самые нейроны днем позже, что заставило мышей избегать входа в определенную комнату. Считается, что область мозга, которую исследовали исследователи, называемая прилежащим ядром, играет важную роль в психических заболеваниях человека, включая депрессию.

Модульная молекулярная технология

Фликр состоит из двух цепочек молекулярных компонентов, которые реагируют на присутствие синего света и кальция. Такая светочувствительность позволяет исследователям точно контролировать сроки проведения экспериментов, а кальций является практически универсальным индикатором активности клеток. Чтобы поместить Фликр внутрь клетки, исследователи упаковывают его в две части внутри безвредного вируса. Одна часть FLiCRE прикрепляется к клеточной мембране и содержит белок, который может проникать в ядро клетки и управлять экспрессией любого гена, выбранного исследователями. Другая часть FLiCRE отвечает за высвобождение белка при определенных специфических условиях, а именно, если концентрация кальция высока и клетка купается в голубом свете.

В то время как существующие методы маркировки требуют нескольких часов для активации, процесс маркировки FLiCRE занимает всего несколько минут. Исследователи также разработали FLiCRE, чтобы использовать стандартное генетическое секвенирование для поиска клеток, в которых активируется FLiCRE. Это позволяет им изучать десятки тысяч клеток одновременно, в то время как другие методы, как правило, требуют анализа нескольких микроскопических изображений, каждое из которых содержит сотни клеток.

В одной серии экспериментов исследователи вводили Фликр в клетки прилежащего ядра и использовали опсин для активации нейронного пути, связанного с поведением избегания у мышей. Как только кальций в клетках, содержащих Фликр, подскочил-клеточный признак того, что мышь чего—то избегает, - клетки засветились постоянным красным светом, который был виден через микроскоп. Исследователи также секвенировали РНК клеток, чтобы увидеть, какие из них содержат флуоресцентный белок,производя клеточную запись нервной активности.

"Одна из целей состояла в том, чтобы составить карту того, как области мозга связаны друг с другом у живых животных, что является действительно сложной проблемой",-сказала Кристина Ким, постдокторант по генетике в Стэнфорде и соавтор статьи. "Красота FLiCRE заключается в том, что мы можем пульсировать и активировать нейроны в одной области, а затем записывать все связанные нижестоящие нейроны. Это действительно классный способ взглянуть на дальние связи мозговой активности."

В следующих экспериментах исследователи использовали карту клеточной активности из первых экспериментов. Они также настроили FLiCRE так, чтобы белок экспрессировал белок опсин, который может управляться оранжевым светом для изменения активности нейронов. После активации FLiCRE в клетках исследователи посылали оранжевый свет через волоконно-оптический имплантат всякий раз, когда мыши входили в определенную комнату. В ответ мыши покинули эту комнату, что указывало на то, что Фликр действительно обнаружил в мозге клетки, которые управляют избегающим поведением.

Проект мечты

Разработка и тестирование FLiCRE объединили химию, генетику, биологию и нейробиологию, а также многие специальности в рамках этих дисциплин. В результате инструмент имеет широкий спектр возможных применений, в том числе и в клетках вне мозга, говорят исследователи.

"Я переехал в Стэнфорд в 2016 году в надежде, что смогу выполнять чрезвычайно междисциплинарные и совместные проекты, подобные этому", - сказал Тинг. "Этот проект был одним из самых полезных аспектов моего переезда в Стэнфорд—увидеть, как что-то такое сложное и амбициозное действительно работает."

В настоящее время исследователи работают над дополнительными версиями FLiCRE с целью оптимизации процесса. Они надеются упростить его структуру, а также сделать его способным работать с другими биохимическими событиями, такими как взаимодействие белков или высвобождение нейромедиаторов.

ИСТОЧНИК