科学家们用超声波探测活细胞中的活跃基因

一项在《科学》杂志上发表的令人吃惊的新研究表明，超声波可以帮助科学家了解特定基因在活细胞中是处于活跃状态还是不活跃状态。这一令人难以置信的壮举有望改变科学家对许多活细胞活动的研究方式，从肿瘤的生长到神经元功能。

超声扫描已经成为医生和病人医疗经验的一个主要部分。然而，它们在研究活细胞方面也很重要，因为它们不会造成重大伤害。准确，物美价廉，简单易学，超声扫描还有几个惊喜在店里..

细胞不断地关闭和打开基因来调节基因的表达。传统上，激活基因的检测涉及使用绿色荧光蛋白（GFP）等荧光标记，当基因活跃时，荧光标记会发光。这是众所周知的，对于培养的细胞，可以检查在他们的培养皿，但在一个有机体的体内，如何看到这样的荧光？

研究人员得出了一个结论：使用超声波，一种非侵入性和无害的技术，观察活体并提取这些细胞。但他们遇到了另一个困难：单个细胞不能用常用的超声波波长来区分。

然后，科学家们发现了一些生活在水中的细菌，并在微观尺度上产生蛋白质包裹的气泡，以保持自己的漂浮。通过增加到达超声探头的反射波的数量，这使得宿主细胞能够被超声波高度检测到。

去年，当研究人员在活着的老鼠的肠道中植入了通过注入气泡形成基因而被修饰的肠道细菌时，这个概念就被提出了。利用超声波，他们能够检测到肠道中的细菌簇。

但是细菌基因不像哺乳动物基因那样工作，所以他们接下来致力于调整他们的技术，使同样的基因在哺乳动物细胞内工作。例如，每个细菌基因都需要一个启动子，它打开由该基因编码的蛋白质的产生过程。启动子可以而且通常是由许多细菌基因共同组成的。

但是哺乳动物的基因更严格：每个基因都需要自己的启动子。研究人员巧妙地使用一种病毒蛋白将几个细菌基因粘在一起，这样他们就可以“愚弄”哺乳动物细胞，把它们看作是一个单一的哺乳动物基因，并用一个启动子打开它们。

通过这种方式，他们成功地证明了九个以三个质粒形式插入的细菌基因在一个培养皿中的人胚胎肾（HEK）细胞内引起了令人满意的气泡形成..这是第一次有六个以上的基因从一个细菌转移到哺乳动物细胞。

Caleb Foster|Shutterstock

超声扫描发现这些细胞的存在，但没有发现没有形成气泡的对照细胞。

他们通过使用一种技术来通过增加超声波压力来放气气泡来提高分辨率，这使得背景和含气泡信号之间有了明确的区别。这似乎并没有伤害细胞，可以重复阅读。

因此，这些基因充当分子报告器，信号在细胞内的活性基因的存在，是由超声波扫描检测到的。研究人员称之为哺乳动物声学报告基因（mARGs）。

他们创造了一系列HEK克隆，当启动子暴露于药物多西环素中时，持续产生气泡，即使在与其他细胞混合时，也可以在2.5%的低浓度下检测到。然后他们把这些细胞放入老鼠体内。这些产生小鼠肿瘤，然后诱导表达mARGs通过治疗小鼠多西环素。

当用GFP成像时，肿瘤表现为非特异性的绿色斑块，缺乏任何精确的报告基因定位。然而，超声显示出更清晰的图像。只有肿瘤边界的细胞显示气泡形成，这表明MARG激活。

由于最大的血管化是在肿瘤的周围，这一区域被认为是对多西环素的最高反应。多普勒超声证实了这种新血管生长的模式。组织后来被显微镜检查，证实活性基因只存在于肿瘤周围。

因此，基因工程结构可以用来监测哺乳动物细胞内特定基因的存在和功能。光学记者显示存在特定的激活基因，允许在混合样本中检测到特定的细胞群体，但通常仅在培养或组织活检样本中检测到..相反，目前的技术允许非侵入性地检测基因在体内的表达。

加州神经科学家斯里坎特·查拉萨尼说，所使用的技术非常复杂，大多数研究人员无法利用这种方法。然而，研究人员期待着改进这项技术，通过修改基因结构，使其更加方便和通用。

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