Выполняя свои повседневные функции, клетки включают различные гены и клеточные пути. Теперь инженеры Массачусетского технологического института заставили клетки записать историю этих событий в длинную белковую цепочку, которую можно увидеть с помощью светового микроскопа.

Клетки, запрограммированные на создание таких цепочек, постоянно добавляют строительные блоки, которые кодируют определенные клеточные события. Позже упорядоченные белковые цепочки можно пометить флуоресцентными молекулами и считать под микроскопом, что позволит исследователям восстановить время событий.

Эта техника может помочь пролить свет на этапы, лежащие в основе таких процессов, как формирование памяти, реакция на лечение лекарствами и экспрессия генов.

"Существует множество изменений, происходящих в масштабах органа или тела, в течение нескольких часов или недель, которые невозможно отследить во времени", - говорит Эдвард Бойден, профессор нейротехнологий Евы Тан, профессор биологической инженерии, мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и сотрудник Института исследования мозга Макговерна и Института интегративных исследований рака Коха.

По словам исследователей, если эту методику удастся распространить на более длительные периоды времени, ее можно будет использовать для изучения таких процессов, как старение и развитие болезней.

Бойден является старшим автором исследования, результаты которого опубликованы сегодня в журнале Nature Biotechnology. Чангьянг Лингху, бывший постдокторский научный сотрудник Института Макговерна имени Дж. Дугласа Тана, ныне доцент Мичиганского университета, является ведущим автором работы.

Клеточная история

Биологические системы, такие как органы, содержат множество различных видов клеток, каждая из которых имеет свои функции. Одним из способов изучения этих функций является получение изображений белков, РНК или других молекул внутри клеток, которые дают подсказки о том, что делают клетки. Однако большинство методов, позволяющих сделать это, дают возможность увидеть лишь один момент времени или плохо работают с очень большими популяциями клеток.

"Биологические системы часто состоят из большого количества различных типов клеток. Например, человеческий мозг состоит из 86 миллиардов клеток", - говорит Лингху. "Чтобы понять такие биологические системы, нам необходимо наблюдать за физиологическими событиями во времени в этих больших популяциях клеток".

Для этого исследовательская группа придумала записывать клеточные события в виде серии белковых субъединиц, которые постоянно добавляются в цепочку. Для создания цепочки исследователи использовали сконструированные белковые субъединицы, которые обычно не встречаются в живых клетках и которые могут самособираться в длинные нити.

Исследователи разработали генетически закодированную систему, в которой одна из этих субъединиц постоянно вырабатывается внутри клеток, а другая - только при наступлении определенного события. Каждая субъединица также содержит очень короткий пептид, называемый эпитопной меткой - в данном случае исследователи выбрали метки HA и V5. Каждая из этих меток может связываться с различными флуоресцентными антителами, что позволяет впоследствии легко визуализировать метки и определить последовательность белковых субъединиц.

Для данного исследования ученые поставили производство V5-содержащей субъединицы в зависимость от активации гена c-fos, который участвует в кодировании новых воспоминаний. Субъединицы с меткой HA составляют большую часть цепи, но всякий раз, когда в цепи появляется метка V5, это означает, что в это время был активирован c-fos.

"Мы надеемся использовать этот вид самосборки белков для регистрации активности в каждой отдельной клетке", - говорит Лингху. "Это не только снимок во времени, но и запись прошлой истории, подобно тому, как кольца деревьев могут постоянно хранить информацию по мере роста древесины".

Запись событий

В этом исследовании ученые впервые использовали свою систему для регистрации активации c-fos в нейронах, растущих в лабораторной посуде. Ген c-fos активировался путем химической активации нейронов, что вызывало добавление субъединицы V5 к белковой цепи.

Чтобы изучить, может ли этот подход работать в мозге животных, исследователи запрограммировали клетки мозга мышей на создание белковых цепочек, которые обнаруживали, когда животные подвергались воздействию определенного препарата. Позже исследователи смогли обнаружить это воздействие, сохранив ткань и проанализировав ее с помощью светового микроскопа.

Исследователи спроектировали свою систему как модульную, чтобы можно было менять местами эпитопные метки или обнаруживать различные типы клеточных событий, включая, в принципе, деление клеток или активацию ферментов, называемых протеинкиназами, которые помогают контролировать многие клеточные пути.

Исследователи также надеются увеличить период записи, которого они могут достичь. В данном исследовании они записывали события в течение нескольких дней, прежде чем визуализировать ткань. Существует компромисс между количеством времени, которое может быть записано, и временным разрешением, или частотой записи событий, поскольку длина белковой цепи ограничена размером клетки.

"Общее количество информации, которое она может хранить, фиксировано, но в принципе мы можем замедлить или увеличить скорость роста цепи", - говорит Лингху. "Если мы хотим вести запись в течение длительного времени, мы можем замедлить синтез так, чтобы он достиг размера клетки в течение, скажем, двух недель. Таким образом, мы сможем записывать дольше, но с меньшим временным разрешением".

Исследователи также работают над созданием системы, чтобы она могла регистрировать несколько типов событий в одной цепи, увеличивая количество различных субъединиц, которые могут быть включены.