Split-HaloTag：生物活性的蛋白质记录器

德国马克斯·普朗克医学研究所的科学家们成功研发出一种能够捕捉和分析生物活动的蛋白质记录器，可在多个时段进行记录。这一方法可扩展且适用于记录各种生物活动，如蛋白质相互作用、G蛋白偶联受体的激活以及体内胞内钙浓度的增加。

研究论文《用化学标记记录细胞的生理历史（Recording physiological history of cells with chemical labeling）》今天发表在《科学》杂志上。

直接、连续和顺序

记录短暂的细胞事件对于阐明生物机制至关重要。目前，对组织中的细胞进行大多数记录是通过将事件与报告基因的转录或使用CRISPR/Cas工具进行关联。然而，细胞活动与记录之间的耦合只是间接的。

记录瞬时细胞事件的理想方法是直接在整个组织中同时访问大量细胞，并且在优秀的时空分辨率下完成。此外，为了对瞬时细胞事件进行大规模并行分析，将记录与分析分离是至关重要的；这涉及将瞬时事件转化为未来分析的永久标记。然而，目前缺乏符合这些要求的方法。

使用光学和光遗传学方法可以直接记录原位和事后分析细胞活动，通过对活体标本的照明来控制记录。这些方法提供了出色的时空分辨率。其中一个例子是CaMPARI生物传感器，可用于记录不同模式生物中的神经活动。当在高Ca2+水平下照明时，它会发生不可逆的颜色变化。

使用化学探针对细胞进行活动标记是不使用光的替代方法。理想的、高度渗透性且无害的探针的加入和洗脱决定了该方法的记录窗口，它可以直接记录感兴趣的活动。因此，它可以与前述方法一起使用。然而，目前的活动基础化学标记方法既不适合连续记录，也不允许记录大量连续事件。

彩绘中的生物活性

共同作者Magnus-Carsten Huppertz和Jonas Wilhelm以及同事们开发了Split-HaloTag——在特定细胞活动和荧光底物的存在下会被标记的蛋白质。荧光底物和瞬时细胞活动的结合，比如蛋白质间的相互作用或细胞内Ca2+水平的增加，可用于有理设计记录器，以捕捉稍后分析的瞬时事件。

荧光底物的加入和洗脱确定了记录时段。这些步骤之前或之后的任何活动都不会影响记录器的标记。由于各种颜色的荧光底物readily available，因此可以在同一样本或生物体内记录不同的时间间隔。Split-HaloTag记录器允许对细胞活动进行空间分辨率记录，因为感兴趣的活动会激活它们并可定向到特定的细胞位置。

由于荧光信号在数天内可检测并且对固定策略具有抵抗力，这种方法可以轻松扩展到同时分析大量细胞或生物体。此外，荧光信号的持久性使得通过记录器标记进行细胞分选和随后的转录组分析成为可能。

所有这些特性都在使用设计用于Ca2+依赖性蛋白标记（Caprola）的split-HaloTag记录器的实验中得到验证。Huppertz和Wilhelm使用Caprola记录了斑马鱼幼鱼和成年蝇的神经活动。他们还基于它们的Ca2+水平对各种细胞群体进行了排序和分析转录组。鉴于Ca2+信号的广泛使用和HaloTag标记在许多模型系统中的成功应用，Caprola有望在生物学的不同领域中得到应用。

根据作者的说法，通过利用其他基于蛋白的荧光生物传感器的设计原则，应该可以设计用于其他细胞活动的记录器。这是因为生物记录的设计原则将细胞活动与split-HaloTag的两个组分的增加亲近联系起来。split-HaloTag系统为在生物领域连接细胞生理学与表型的新记录器打开了大门。

参考文献：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0812

编辑：王洪

排版：李丽