發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)令人震驚的新研究表明，超聲波可以幫助科學(xué)家了解活細(xì)胞中特定基因是處于活躍狀態(tài)還是處于非活躍狀態(tài)。這一驚人的壯舉有望改變科學(xué)家檢查各種活細(xì)胞活動(dòng)的方式，從腫瘤的生長(zhǎng)到神經(jīng)元功能。

超聲波掃描已成為醫(yī)生和患者醫(yī)療保健經(jīng)驗(yàn)的重要組成部分。但是，它們?cè)诨罴?xì)胞研究中也很重要，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)造成重大傷害。準(zhǔn)確，便宜且易于學(xué)習(xí)的超聲掃描在商店中仍然有一些驚喜。

細(xì)胞保持關(guān)閉和打開(kāi)基因以調(diào)節(jié)基因表達(dá)。傳統(tǒng)上，激活基因的檢測(cè)涉及使用諸如綠色熒光蛋白(GFP)之類(lèi)的熒光標(biāo)記，當(dāng)該基因活躍時(shí)會(huì)發(fā)光。眾所周知，這對(duì)于可以在培養(yǎng)皿中檢查的培養(yǎng)細(xì)胞很有效，但是在生物體內(nèi)，如何看到這種熒光?

氣泡：使體內(nèi)的細(xì)胞對(duì)超聲波可見(jiàn)

研究人員得出一個(gè)結(jié)論：使用超聲波(一種非侵入性且無(wú)害的技術(shù))來(lái)觀察生物體并拾取這些細(xì)胞。但是它們遇到了另一個(gè)難題：使用常用的超聲波波長(zhǎng)無(wú)法真正區(qū)分出單個(gè)細(xì)胞。

然后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)菌，它們生活在水中，并在微觀尺度上產(chǎn)生蛋白質(zhì)包封的氣泡，以保持自身漂浮。通過(guò)增加到達(dá)超聲探頭的反射波的數(shù)量，這些使得宿主細(xì)胞可以被超聲高度檢測(cè)。

去年，當(dāng)研究人員將通過(guò)注入氣泡形成基因而被修飾的腸道細(xì)菌插入到活體小鼠的腸道中時(shí)，這一概念就經(jīng)受了考驗(yàn)。使用超聲波，他們能夠檢測(cè)腸道中的細(xì)菌簇。

基因構(gòu)建：修飾哺乳動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)菌基因

但是細(xì)菌基因的工作方式不像哺乳動(dòng)物基因，因此他們接下來(lái)致力于改進(jìn)其技術(shù)，以使相同的基因在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)起作用。例如，每個(gè)細(xì)菌基因都需要一個(gè)啟動(dòng)子，該啟動(dòng)子會(huì)啟動(dòng)該基因編碼的蛋白質(zhì)的生產(chǎn)過(guò)程。該啟動(dòng)子可以并且通常被許多細(xì)菌基因共享。

但是哺乳動(dòng)物基因更嚴(yán)格：每個(gè)基因都需要自己的啟動(dòng)子。研究人員巧妙地使用一種病毒蛋白將幾種細(xì)菌基因粘在一起，這樣他們就可以“愚弄”哺乳動(dòng)物細(xì)胞，將它們視為單個(gè)哺乳動(dòng)物基因，并通過(guò)單個(gè)啟動(dòng)子將它們?nèi)看蜷_(kāi)。

這樣，他們成功地證明了三個(gè)質(zhì)粒形式的九個(gè)插入細(xì)菌基因在培養(yǎng)皿中的人胚腎(HEK)細(xì)胞內(nèi)引起了令人滿(mǎn)意的氣泡形成。這是有史以來(lái)首次有六個(gè)以上的基因從細(xì)菌轉(zhuǎn)移到哺乳動(dòng)物細(xì)胞。

他們通過(guò)使用一種通過(guò)增加超聲波壓力使氣泡放氣的技術(shù)來(lái)提高分辨率，從而可以清楚地區(qū)分背景信號(hào)和包含氣泡的信號(hào)。這似乎沒(méi)有損害細(xì)胞，可以重復(fù)讀取。

因此，這些基因充當(dāng)分子報(bào)道分子，表示通過(guò)超聲波掃描檢測(cè)到的細(xì)胞內(nèi)活性基因的存在。研究人員稱(chēng)它們?yōu)椴溉閯?dòng)物聲學(xué)報(bào)告基因(mARGs)。

概念驗(yàn)證：小鼠腫瘤中的基因激活

他們創(chuàng)建了單行HEK克隆，當(dāng)啟動(dòng)子暴露于強(qiáng)力霉素時(shí)，它們始終產(chǎn)生氣泡，甚至在與其他細(xì)胞混合時(shí)，即使?jié)舛鹊椭?.5%，也可以檢測(cè)到氣泡。然后他們將這些細(xì)胞放入小鼠體內(nèi)。這些產(chǎn)生的小鼠腫瘤，然后通過(guò)用強(qiáng)力霉素治療小鼠而被誘導(dǎo)表達(dá)mARGs。

當(dāng)用GFP成像時(shí)，腫瘤顯示出非特異性的綠色斑塊，缺乏報(bào)告基因的精確定位。但是，超聲波顯示的圖像要清晰得多。僅腫瘤邊界處的細(xì)胞顯示氣泡形成，其顯示mARG激活。

由于要在腫瘤的周?chē)吹阶畲蟮难苄纬?，因此預(yù)期該區(qū)域顯示出對(duì)強(qiáng)力霉素的最高反應(yīng)。多普勒超聲證實(shí)了這種新血管生長(zhǎng)的模式。隨后用顯微鏡檢查該組織，確認(rèn)僅在腫瘤外圍存在活性基因。

結(jié)論

因此，基因工程構(gòu)建體可用于監(jiān)測(cè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)特定基因的存在和功能。光學(xué)報(bào)道分子顯示了特定激活基因的存在，可以在混合樣本中檢測(cè)到特定的細(xì)胞群，但通常只能在培養(yǎng)物或組織活檢樣本中檢測(cè)到。相反，本技術(shù)允許體內(nèi)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)基因表達(dá)。

加利福尼亞州的神經(jīng)科學(xué)家Sreekanth Chalasani說(shuō)，所使用的技術(shù)非常復(fù)雜，大多數(shù)研究人員將無(wú)法利用這種方法。然而，研究人員們期待改進(jìn)該技術(shù)，通過(guò)修飾基因構(gòu)建體使其更加方便和通用。

這對(duì)于實(shí)際探測(cè)哺乳動(dòng)物和生物醫(yī)學(xué)的未知領(lǐng)域?qū)⒂泻艽髱椭?/p>