加州理工學院開發超聲成像系統能讓人親眼看到基因的表達

2019-09-27 09:57:58     來源:學術經緯

今日,最新一期《科學》雜志上報道了一篇值得關注的論文。加州理工學院的一支團隊開發出了一套全新的超聲成像系統。它能夠在活體動物中,讓科學家們親眼看到基因的表達。盡管這項技術目前還較為初步,但可以想象,一旦發展成熟,它將能給多種疾病的檢測帶來突破。

加州理工學院開發超聲成像系統能讓人親眼看到基因的表達

事實上,過去的科學家們早已開發出了許多檢測基因表達的方法。其中最為知名的,或許就是綠色熒光蛋白(GFP)系統了。這種系統能夠在顯微鏡下,讓我們看清組織中哪些細胞有著特定的基因表達,甚至能讓我們在一個個細胞里看清相應蛋白的位置。為此,開發出這套系統的科學家們也在2008年分享了諾貝爾化學獎的殊榮。


但GFP系統也有一個很大的局限,那就是“光”。在培養皿中,光可以透過薄薄的幾層細胞,激發出綠色熒光。但如果要把這套系統搬運到大型活體動物體內,就很容易行不通——它們的器官和組織太厚了,光穿透不進去。

加州理工學院開發超聲成像系統能讓人親眼看到基因的表達

▲因為發現并開發了GFP系統,三名科學家斬獲了2008年的諾貝爾化學獎(圖片來源:諾獎官網截圖)


那么有什么方法能夠在大型活體動物中實時觀察基因表達嗎?科學家們的選擇是“超聲成像”。說到超聲成像,大家都不會陌生。在檢查心臟的缺陷,或是檢查胎兒的發育時,醫生們都會用到這種非常成熟的技術。它的好處就是能穿透厚厚的器官和組織。


下一個問題,就是怎么用超聲波看到特定的細胞了。科學家們從一些水生微生物中得到了靈感:這些微生物會在體內形成一類特殊的蛋白結構,它們就像是氣球一樣,中間充滿了空氣。對水生微生物而言,這種蛋白結構能給它們提供浮力。而在科學家的眼中,由于結構中的空氣與細胞中的水分在性質上具有天壤之別,這種蛋白結構足以提供超聲成像所需的分辨率。


接下來,他們還有一個技術難題需要解決——怎么把這些中空的蛋白結構弄到哺乳動物細胞里頭去。這可不是一個簡單的問題。表達這些蛋白結構的微生物都屬于原核生物,而哺乳動物屬于真核生物,兩者的基因調控方式非常不一樣。而且,這種蛋白結構需要很多條不同基因的參與,把這些基因同時挪到哺乳動物細胞里,同樣不簡單。


在合成生物學技術的幫助下,研究團隊終于把所需的多條基因轉入了哺乳動物細胞系,并讓它們穩定表達。功夫不負有心人。經過檢驗,這些細胞也終于能夠形成類似的中空蛋白結構。

加州理工學院開發超聲成像系統能讓人親眼看到基因的表達

▲合成生物學的突破,終于讓哺乳動物細胞也能合成這種中空的蛋白結構(圖片來源:參考資料[1])


接下來,就是檢驗這些結構能否真的協助超聲成像了。研究人員們做了一組對照:在一部分癌細胞中,他們引入了這種中空蛋白結構;在另一部分癌細胞中,他們使用的還是傳統的熒光蛋白。隨后,這些癌細胞被分別注射到小鼠的左右兩側,誘導生成腫瘤。


在幾天的誘導表達后,研究人員們清楚地看到了兩種系統之間的區別。限于組織的穿透性,在“熒光蛋白”組,我們只能看到“一坨”熒光,看不清太多細節。而在“中空蛋白結構”組,超聲成像清楚地看到,只有腫瘤最外面一層有著報導基因(reporter gene)的表達。后續的組織學檢測,也證實了超聲成像的準確性。

加州理工學院開發超聲成像系統能讓人親眼看到基因的表達

▲只有腫瘤最外面一層才有報導基因的表達(圖片來源:參考資料[1])


可以想象,如果這套系統能得到后續的應用與開發,我們就能對活體動物里的基因表達進行更好的研究與探索。這也正是為何許多科學家們對其表示出濃厚興趣的原因。“它能帶來觀察基因調控的全新方式”,一名沒有參與本研究的科學家說到。


另一些科學家指出,這套系統對基因編輯能力有著很高的要求。想讓它得到更廣泛的應用,我們還需要進一步降低使用的門檻。

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