细胞也有“年轮”？科学家造出可回溯生命历史的记忆体|信号|免疫性疾病|年轮|微环境|细胞|胞内|蛋白|记忆体

假如细胞也有“年轮”，那科学家会不会更容易读懂生命历史？一项最新研究正在将这种设想转变为现实。

美国约翰斯·霍普金斯大学林鼎昌教授团队与诺奖得主、美国华盛顿大学 David Baker 教授合作，开发了一种基因编码的细胞内“记忆体”GEMINI（Granularly Expanding Memory for Intracellular Narrative Integration），来回溯每个细胞的历史。

开发 GEMINI 的思路是把“时间”带回固定样本：研究团队设计了一种细胞内蛋白自组装作为信息的读写载体，在自组装过程中，可以将胞内信号以荧光条带的形式持续写入。

通过引入“时间戳”，这些信息可以像树的年轮那样映射到绝对时间轴上。研究团队证明，GEMINI 在体内可记录小时级的细胞动态过程，并且连续记录数天甚至一周以上。

简单来理解这项技术，它就像在细胞内部安装了一台生长记录仪。只要细胞每次经历信号变化，都会在该结构上留下新的“时间条纹”，最终成为可记录、可回放的细胞“录像”。

更重要的是，“记忆体”由细胞自己“生产”，并把自己经历过的事情写入记忆体的结构中。它最大的优势在于，每个细胞都能拥有独有的记忆体，为全器官的动态解析提供了可能性。

“GEMINI 在肿瘤异种移植模型中能够实现全肿瘤的表达与记录，这是以往工具难以实现的能力，我们希望这项技术能为细胞生物学与神经科学研究打开新的实验范式，并创造更多的可能性。”林鼎昌对 DeepTech 表示。

近日，相关论文以《遗传编码的组装式记录仪实现细胞历史的时间分辨解析》（Genetically encoded assembly recorder temporally resolves cellular history）为题发表在 Nature[1]。约翰斯·霍普金斯大学博士生严宇清、陆家禧和华盛顿大学李喆博士（现南方科技大学教授）是论文共同第一作者，林鼎昌教授担任通讯作者。

给细胞装上“记录仪”，打破生命黑箱

传统的终点分析方法如同拍摄一张静态图片，只能解析某个特定时刻的状态，却看不到细胞走到这一步的具体步骤。实际上，很多关键过程发生在更早之前，而终点分析往往忽略了这些重要的细节。

相反，实时荧光成像（长时间盯拍）能够弥补传统终点分析的短板，可像拍摄视频那样提供高清晰的动态过程。但其难点在于必须长期盯着同一批细胞：在真实组织里，细胞密度往往很高且三维空间排布，由于它们在体内是高度动态的，因此难以精准定位。

此外，活体组织通常是不透明的，荧光成像难以覆盖深层组织，信号会受散射影响，还存在光毒性和漂白问题，时间越长越难保持信号稳定。最后或许能够在单细胞层面看得很清楚，但也只限于在很短时间内看到了很少数量。

那么，在器官尺度的组织微环境中，究竟关心什么时间尺度的动态过程？在某些组织以及特定的科学问题中，超快的信号（例如脑部神经电生理）很有必要，但在更多的情况下，分钟到小时尺度的时间分辨率对于细胞动态追踪和分析已经足够。

研究团队提出，在这种时间尺度下，“实时盯梢”或许并不是最优解，特别是当关心细胞的空间分布以及希望对组织中大量甚至所有细胞同时监测的情况。于是，他们将研究重点放在“事后回溯”上。

林鼎昌解释道：“GEMINI 的本质是一个终点分析方法，我们的想法是，如果我们能够把时间信息带回到固定的组织样品中，则完全有可能在高通量、空间信息保留的情况下，实现在小时甚至分钟时间尺度下的单细胞动态解析。”

把“年轮”装进细胞，空间和时间终于能兼得

多年来，科学家尝试开发了各种基于基因编辑的核酸类记录工具。这些工具虽然在细胞谱系示踪方面具有重要应用，但它在细胞活动的实时追踪方面有几个致命短板：基因编辑的动力学较慢，导致难以捕捉小时级或更快的动态过程；目前编辑的效率不高，导致有些细胞标记不完全，缺乏单细胞分辨率；基于测序的读取通常需要破坏组织结构，导致空间信息的丢失。

GEMINI 作为一个基于蛋白的记录工具，把“写入”变成一个更直接的过程：细胞把信号转成某种带荧光的蛋白表达，这些蛋白会被“实时”收进生长结构里。读出则是直接在原位看到纹理，从而把空间与时间尽可能同时保留下来。

之前，林鼎昌团队曾经开发了基于线性蛋白组装的胞内记录工具 [2]。然而，对于线性蛋白组装来说，它的读取精度很大程度取决于空间取向，当线性蛋白不在焦平面上，难以通过二维成像可靠地读取信息。GEMINI 的其中一项创新在于采用三维各向同性生长方式，信息在各个方向的记录是一致的。因此，无论它空间取向如何均能可靠读出信息，为高通量读取与分析提供了可行路径。

从 GEMINI 记录的原理来看，它与树木用年轮记录具有异曲同工之妙。二者的共同点在于在生长过程中把信息记录下来：年轮每过一年增加一圈，而 GEMINI 每经历一段细胞时间就会增加一圈荧光条纹。不同之处在于，年轮圈数用于判断地理事件发生的时间，而 GEMINI 记录的是细胞的动态历史，通过对应的“时间戳”帮助回溯事件发生的时间。

最难的不是设计，是让蛋白质“刚刚好”开始生长

据研究团队介绍，这项研究中最大挑战在于如何调控蛋白质自组装的形核过程。他们不希望形核太容易，因为形核太容易常常会在同一个细胞内形成多个核互相竞争生长，给后续解析带来难题。与此同时，也不希望形核太难，否则形核时间点会非常滞后且不同步，影响时间窗口的确定。现实中这个形核能的窗口很小，需要通过精细的蛋白设计结合蛋白工程/筛选来寻找。

此外，通过形核能的筛选的蛋白质并不一定适合作为 GEMINI，它还需要蛋白自组装对细胞的扰动尽可能小。研究团队在筛选方面投入了大量的精力，最后得到了论文中使用的版本，这是在结合了形核能优化及细胞兼容性筛选之后最优的版本。

回忆 GEMINI 从无到有、从概念到实物的过程，林鼎昌说道：“现在回想起第一次在细胞内得到漂亮的蛋白自组装以及第一次在小鼠大脑中表达成功的时刻，仍然让我们感觉兴奋不已，并第一时间与远在西雅图的合作者们分享了这个结果。”

但研究团队并没有驻足于此，直到他们第一次用自主构建的简单模型近乎完美地解析了时间的信息。

“这是一个相当意外的结果。我们当时并没有想到能这么准确，毕竟相比于一维生长，三维生长的过程是非线性的，这给解析带来了一定的难度。”林鼎昌表示。

实际上，研究团队很早就做好了心理建设，准备好几套方案来解决这个难题（例如用机器学习方法）。他坦言，能够用一个简单的模型进行解析，让我们重新认识了胞内自组装的过程，以及它的可靠性和可重复性。

大脑活动、肿瘤演化，终于有了“回放键”

值得关注的是，在培养细胞中，GEMINI 能分辨间隔 15 分钟的信号，对炎症因子的检测灵敏度比传统方法高出 2 个数量级。在体内验证中，GEMINI 在细胞、组织以及动物行为层面均表现出优异的组织相容性。

研究人员进一步将其用于记录，并回溯肿瘤异种移植（xenograft）中炎症相关通路的时空响应图谱，在小鼠大脑中实现了对转录及癫痫相关信号的时空信息记录。

15 分钟分辨率意味着，很多过去会被看成“一次持续激活”的过程，现在可以拆成更细的脉冲、间歇与先后次序。对于许多信号通路来说，细胞并不是只在乎有没有信号，而是更在乎信号是瞬时的、反复的，还是持续的。“分辨率显著提升后，我们更容易将不同的动态模式和不同的细胞命运建立对应关系。”林鼎昌说。

灵敏度提高意味着以前必须用很强的刺激、才能在群体平均里看到变化；现在可以在更接近真实生理水平的条件下，捕捉微弱但关键的事件。

一个直观例子是，在癌细胞耐药中，一些耐药并不是突然获得，而是经历了多轮压力后逐步进入一种保护状态。林鼎昌进一步指出，过去我们常看到的是最后活下来的细胞是什么样，但不知道它们此前经历了多少次、什么节奏的应激。现在我们有机会在同一个肿瘤微环境里，把不同细胞经历过的刺激历史拉出来对比：耐药细胞是否更像多次短暂刺激的累积结果，还是来自某一次强刺激触发。