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天津大学胡明列合作团队: 飞秒激光对靶细胞外调节蛋白激酶信号的光激活

2018-11-09

天津大学胡明列课题组与上海交通大学贺号课题组合作,提出了一种基于飞秒激光刺激直接启动细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号通路的技术,不需要向细胞做任何基因转染。

细胞的一切生命活动都是由其内部的信号分子传递完成的。细胞中存在由多种信号分子互相偶联构成的多种信号通路,信号通路之间又交叠形成一个复杂的网络,通过多种小分子和蛋白质的相互作用将复杂的细胞信号传递给细胞内相应的靶标位置,进而形成诸如转录、翻译、生长、分化和凋亡等细胞过程。人为主动调控细胞的分子信号与功能,是控制细胞命运和功能,研究生命过程和重大疾病的机制原理的关键核心技术,对于生命科学、医学研究和临床应用具有极其重要的意义。基于生化方法和基因技术,人们已经在对细胞信号与功能的调控中取得了许多重要进展。随着光遗传学(optogenetics)技术的进步,通过激光激活细胞内的光敏蛋白,介导调控一系列下游分子信号和功能,形成了一系列以激光和基因技术为核心的控制细胞分子信号的技术体系。

ERK信号通路是细胞最重要的信号通路之一,对于细胞的发育、分化、转录、凋亡等多种生命活动都有重要影响,对ERK通路的调控技术一直是相关生命科学研究的重要课题。2013年,加州大学旧金山分校的研究小组通过光遗传学技术,向细胞内转入与ERK偶联的光遗传质粒,可以使用红光调控细胞的ERK通路启动。这种基于光遗传学方法的启动过程较慢,效率偏低,如图1所示,激光需要处理若干分钟后才能获得ERK的有效启动。


图1 基于光遗传学的ERK启动技术。左: 细胞转染构建光遗传质粒(opto-SOS)后,可以通过红光激发启动ERK通路。右:激光激活过程与ERK启动效率。

天津大学胡明列课题组与合作者提出了一种直接启动ERK信号通路的技术。飞秒激光扩束后,可以不通过扫描光路直接由物镜聚焦到样品处,也可以像双光子扫描显微光路一样,通过扫描振镜控制到达物镜。因此,激光刺激可以以视野中心一个亚微米的静止焦点的形式进行刺激,也可以以双光子扫描的形式通过自定义扫描区域进行刺激。激光刺激可以独立或以一帧的形式插入共聚焦成像序列中,实现了刺激前后的实时荧光观测。只要向任何目标细胞内进行100 ms的刺激,即可在目标细胞内实现ERK通路的高效率启动,如图2所示。这种刺激可以对一个细胞进行多次,也可以在多细胞中同时实现ERK启动。研究发现,激光刺激直接启动ERK通路,是通过飞秒激光对细胞内钙离子的调控而实现,活性氧自由基(ROS)并没有参与这个过程。这种飞秒激光刺激技术可以在任何商业的共聚焦显微镜或多光子显微镜上实现,光路和操作都极其简单,方便生命科学领域的研究人员使用。


图2 飞秒激光刺激技术直接启动ERK。左:ERK2-GFP显示的ERK启动并入核(箭头:激光刺激的亚微米的点,刺激时间为100 ms);中:ERK启动入核导致核内GFP荧光上升;右:两次激光刺激启动两次ERK。

该研究成果以Photoactivation of extracellular-signal-regulated kinase signaling in target cells by femtosecond laser为题发表在Laser & Photonics Reviews [12(7): 1700137 (2018)]上,论文由天津大学、南开大学、香港中文大学、上海交通大学等多家单位共同合作完成,第一作者为王劭阳博士,通讯作者为胡明列和贺号教授。该论文随后被编辑推荐为当期的封面文章。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.201700137