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【科学美图】Brainbow:荧光点亮神经彩虹

时间:2015-08-28 16:33来源:果壳网 作者:FranklinWhite 阅读:

图片来自:Tamily Weissman, Harvard University

上图中的景象不是黑夜中的奇幻梦境,也不是艺术家的创作,而是神经细胞交织成的网络,这些细胞来自一只小鼠的脑中的海马区域。

平时我们所到的大脑标本都是灰白暗淡的颜色,而这种名叫“Brainbow”的技术则显得格外惊艳,神经细胞们个个分明,闪耀着五彩光芒。

另一张展示了小脑结构的“神经彩虹”。图片来自:Tamily Weissman, Harvard University

大脑是如何变成彩虹的?这要从荧光蛋白的故事开始说起。

绿色荧光蛋白:色彩的开端

这些美丽的颜色都是荧光,当分子吸收能量达到激发态后,它们会在较短时间内再回到比较稳定的基态,并且通过发光的方式重新释放出能量,这个过程中产生的就是荧光。

一般的细胞中,原本没有那么多能发出各色荧光的物质,让它们发光,靠的是人为引入的荧光标记。而在这些荧光标记中,绿色荧光蛋白就是最为经典的一个。

绿色荧光蛋白是来自海洋的馈赠,它来自一种发光水母。在上世纪60年代,日裔科学家下村修(Osamu Shimomura,下村脩)和美国科学家约翰森(Frank H. Johnson)首先揭开了水母发光的秘密。一开始,他们从这些水母中提取到了水母发光蛋白(aequorin),在钙离子的作用下,这种蛋白质会发出蓝光。然而,在水母身上,人们最终观察到的却是绿色的荧光,将蓝光转化为绿光的,就是水母体内的另外一种蛋白质——绿色荧光蛋白。

发出绿色荧光的水母。图片来自:shiro1000.jp

更多的色彩

在发现之初,生物学家们就意识到了这种发光蛋白的价值,如果能在其他的细胞、生物组织中引入这样的蛋白质,那么在显微镜下,我们所看到的画面也就能变得更加清晰而且多彩了。

上世纪80年代,普鲁切(Douglas Prasher)成功地克隆出了水母中编码绿色荧光蛋白的基因,这使得荧光蛋白标记的大量应用成为了可能。有了这段基因,我们就可以让特定的细胞表达这些荧光蛋白,或者把绿色荧光蛋白和各种分子结合在一起,为细胞中特定的结构染上颜色。

不过,天然的绿色荧光蛋白还不够完美,它只有一种颜色,也无法进行复杂的标记。解决这一问题的,是华裔科学家钱永健(Roger Y Tsien)。通过对绿色荧光蛋白分子的种种改造,他得到了现在实验中广泛使用的增强型绿色荧光蛋白,以及蓝色、青色和黄色的新型荧光蛋白。在此之后,其他的实验室又从珊瑚虫中发现了红色的荧光蛋白。随着不断的探索和改造,生物学家“荧光调色盘”中的色彩也逐渐丰富了起来。

不同颜色的荧光蛋白。图片来自:Lei Wang et al

在培养皿上用细菌画出的彩色“荧光画”。在图中,这些细菌共表达了8种不同的荧光蛋白。图片来自:wikipedia

把神经细胞变成彩虹

有了荧光调色盘上的种种色彩之后,科学家们又是如何把神经细胞变成绚丽的彩虹的呢?这还需要基因编辑和重组技术来帮忙。

如果将不同荧光蛋白对应的基因片段转入细胞,让它们与目标蛋白共同表达,就可以对细胞以及细胞中的特定结构进行标记。但如果仅仅是这样做,我们一般得到只是单一的色彩,或者两三种颜色的图像。在很多情况下,这就已经够了,但要想把数量庞大、错综复杂的神经细胞彼此区分开,我们还需要更新的技术。

猪肾上皮细胞的有丝分裂,在这里用到了红色和绿色两种荧光标记。图片来自:microscopyu

能做到这一点的技术出现在2007年,哈佛大学的神经生物学家杰夫W里奇曼(Jeff W. Lichtman)和他的团队做出了这项名叫“脑彩虹”(Brainbow)的革命性成果[1]。通过这种技术,他们能让小鼠的神经细胞显示出了几十种不同的色彩。

在这种技术中,研究者们用到了一种名叫“Cre重组酶”的酶,它可以识别特定的DNA序列,并把两个“识别标记”中间的序列删除。研究者们把几种颜色的荧光蛋白基因串在一起,并在他们之间加上了Cre重组酶可以识别的标志序列。最终,在酶的帮助下,这些基因在细胞内会被随机地“剪掉”一部分,而剩下的部分得以表达,这样一来,细胞就可以随机地表达出各种不同的颜色了。

通过添加荧光蛋白基因的种类,以及改变基因的拷贝数,科学家们还可以像使用调色盘一样,在细胞中混合出更多颜色。

利用荧光蛋白的种类和基因数量“调制”颜色。图片来自:Jean Livet et al

在里奇曼的研究中,这些神经细胞的图像经过计算机分析,一共分辨出了89种不同的颜色,在下面的图像中,98.9%的细胞都展现出了不同的颜色。而到了后来,究极版的Brainbow已经能够产生多达166种可分辨的颜色。

异彩纷呈的神经细胞。图片来自:Jean Livet et al

这有什么用?

如此大费周章地用荧光蛋白为细胞调色,它到底有什么用呢?这种技术最大的作用,还是将某些需要研究的细胞与错综复杂的背景区分开来。通过对不同色彩的分析,可以计数细胞,也可以追踪细胞的走向,观察神经网络的连接布局以及细胞之间的相互作用。当然,让大众领略神经科学之美,也不失为“神经彩虹”重要的宣传作用。

下面,就让我们一起来欣赏Brainbow的美丽成果吧。

视神经

图片来自:Laura Dumas et al

这条五光十色的“长蛇”其实是小鼠的视神经,它连接着眼睛与大脑,负责传输视觉信号。

果蝇

图片来自:Stefanie Hampel et al

除了小鼠之外,Brainbow在其他模式生物身上也同样行得通。在这张图中就展示了经过荧光标记的果蝇神经网络。

视网膜烟花

图片来自:Josh R. Sanes, Harvard University

这个看起来像烟花一般的结构是小鼠的视网膜神经节细胞,它接收来自视网膜视锥细胞和视杆细胞的信号,并参与视觉信号的传递。

大脑之外

图片来自:Karine Loulier, Institut de la Vision

虽然是为研究神经细胞所设计,但Brainbow技术同样可以点亮其他类型的细胞。在这张图中,被染上色彩的是小鼠舌头的肌纤维。现在,这种荧光标记技术也进入了更加广阔的研究领域。

(编辑:窗敲雨)

题图:浦肯野神经元。来自:Tamily Weissman, Harvard University

参考资料:

  1. http://www.nature.com/nature/journal/v450/n7166/full/nature06293.html
  2. http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2010/IB/b926500g#!divAbstract
  3. http://www.cell.com/pictureshow/brainbow
(责任编辑:泉水)
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