各大媒体聚焦《自然》彩虹新技术

【字体: 时间:2007年11月02日 来源:生物通

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  来自哈佛大学大脑科学研究中心,分子与细胞生物学系的研究人员通过激活神经元中复合荧光蛋白,进行了前所未有的大脑和神经系统成像,获得了色彩斑斓的“大脑彩虹”(Brainbow),这有利于对大脑工作方式进行更深入研究。这一新技术刊登在11月份的第一期《Nature》杂志上,获得了广泛的关注,各大媒体纷纷进行了报道。

  

生物通报道:来自哈佛大学大脑科学研究中心,分子与细胞生物学系的研究人员通过激活神经元中复合荧光蛋白,进行了前所未有的大脑和神经系统成像,获得了色彩斑斓的“大脑彩虹”(Brainbow),这有利于对大脑工作方式进行更深入研究。这一新技术刊登在11月份的第一期《Nature》杂志上,获得了广泛的关注,各大媒体纷纷进行了报道。


(5种颜色混合在大脑神经元可以产生大约90种色彩,图片来自《Nature》)

领导这一研究的是哈佛大学的Jean Livet, Joshua R. Sanes, 和Jeff W. Lichtman。

利用大脑彩虹,研究人员能用将近90种不用的研究标记神经元,这是目前荧光标记方法的一个巨大进步,而且个体明亮色彩的神经元的视觉分辨率得到了提升,这也对于描绘大脑环路和神经系统及其有利。

对大脑神经元进行着色并不是什么新鲜的事,科学家早已利用转基因技术,将荧光蛋白基因转移到神经元中进行表达。但到目前为止,这种方法每次最多只能转移两种荧光蛋白基因,着色种类只有两种,但是仅仅两种颜色对于描绘复杂的大脑神经网络是远远不够的。

分子与细胞生物学系教授Lichtman表示,“就像是一台电视显示器混和了红色、绿色和蓝色,调和成了许多种颜色,神经系统中三种或更多的荧光蛋白混和也能产生许多不同的色调”,“目前神经学家能用于描绘神经系统的工具很少,大脑彩虹能帮助我们更好的绘制出大脑和神经系统中复杂的神经细胞”。除此之外,大脑彩虹还可以帮助追踪哺乳动物神经系统中复杂的发育过程——这一过程目前的了解还只停留在常用的术语上,从而能阐明许多发生在发育早期的许多大脑失序症状的根源。

那么具体这一技术关键在于哪儿呢?大脑彩虹实际上利用的就是鼎鼎有名的遗传重组系统:Cre/lox,这是一个源于P1噬菌体的一个DNA重组体系。大脑彩虹以一种新的方式进行了Cre/lox重组:交换穿梭编码绿色、黄色、橙色和红色的荧光蛋白的基因。研究人员费劲的将DNA片段组装在一起,插入到神经DNA中,结果正如他们所预料的,剪接(cut-and-paste)重组完全以随机的形式出现,形成的不同颜色在普通共焦显微镜中就可以观察到了。


(不同的颜色显示了大脑元怎样相互联接,图片来自《Nature》)

Livet认为,“这项技术能驱使细胞多少有些随机性的开启荧光蛋白基因”,“你可以将大脑彩虹想象成一个能产生随机结果的机器,而Cre/lox就是那个不断拉扯操纵杆的手。”

利用大脑彩虹对小鼠神经环路进行了50天的观测后,哈佛的研究人员就观察到了一些神经重组,为了确定大脑彩虹标记是稳定长效的Livet, Sanes, Lichtman和其他研究人员目前正在利用大脑彩虹对神经系统进行全面的检测,希望能获得神经系统组织和功能的更进一步认识。

哈佛分子与细胞生物学教授Sanes说,“我们已经利用大脑彩虹进行了小鼠神经系统的初步探索,从中发现了一些十分有趣的,之前并不了解的神经排列的模式”,“就我们目前观测到,我们对于这一领域的了解还只是刚刚起步。”
(生物通:张迪)

原文摘要:
Nature 450, 56-62 (1 November 2007) |
doi:10.1038/nature06293; Received 17 July 2007; Accepted 25 September 2007
Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system
Abstract

Cre/lox P系统由Cre位点特异重组酶和可被Cre特异性识别的lox P位点构成,该系统广泛用于条件性基因敲除和表达,以研究基因功能。为了表达和纯化一种细胞可透过性Cre重组酶(即His6-NLS-Cre-MTS);经IPTG诱导,在BL21(DE3)宿主菌成功表达His6-NLS-Cre-MTS融合蛋白,通过His-Bond Ni-NTA树脂分离并纯化了该蛋白质,随后借助细胞和非细胞的重组系统成功检测了His6-NLS-Cre-MTS的生物活性。细胞可透过性Cre重组酶提供了一种快捷而高效的在细胞和在体水平进行遗传操作的新工具。
The Cre/lox P site-specific recombinase system, which has two components: Cre recombinase and two 34-bp lox P sites that Cre recognizes, has been widely used in conditional gene knockout/activation to study the structure and functions of gene. In the present study, a cell-permeable fusion protein (His6-NLS-Cre-MTS) containing a 12-amino acid membrane translocation sequence (MTS), a nuclear localization signal (NLS) and an N-terminal His6 affinity tag, was expressed in BL21 strains (e.g., DE3) transformed with pDJHisCre by induction of IPTG. The fusion protein was purified with His-Bond Ni-NTA resin. Its functionality was confirmed in a cell-free recombination assay with a plasmid (e. g., pApoE-SCS-EGFP) containing lox P-flanked gene (s), and in an intracellular recombination system using lox P-flanked STOP cassette-modified BEL-7402 cells, by assaying the expression of enhanced green fluorescent protein (EGFP). This cell-permeable Cre recombinase provides a rapid alternative means of manipulating mammalian gene structure and function in vitro and in vivo. Its advantages and potential uses are discussed.


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