技術分享-觀察細胞中基因表現的新方法

發佈日期:2019-10-21

藉由超音波看見體內腫瘤細胞的基因表現

  為了解讀細胞的功能,生物學家改造基因,讓細胞在開啟某個目標基因表現時,會和一個播報基因同時表現,利用播報基因製造出可在細胞外被觀察到的蛋白,就能方便地判定該基因的表現情形。然而一般經常使用的播報基因,像是GFP這種螢光蛋白,存在著一個很大的限制,也就是發出的螢光無法穿透大多數的生物組織,而難以用來監測生物體內深層細胞的活性。

  相較於光,超音波可以穿透組織深處又不具侵入性,已被廣泛應用於身體組織的醫學影像診斷。而現在,研究者更看準此特性,讓超音波來作為突破目前播報基因侷限性的一個方法,去測定生物體內細胞某基因的開啟與否。

  加州理工學院的Mikhail Shapiro實驗室在刊登於Science期刊上的研究中,提出了一個新的基因播報方式。他們借用某些水中細菌所具備的一種稱為氣體囊泡的特殊蛋白構造;這些充滿空氣,可提供細胞浮力的蛋白結構,與細胞內的水分在性質上具天壤之別,能夠強烈地散射聲波,而足以提供超音波成像所需的分辨率。

 [參考資料] DOI: 10.1126/science.aax4804

 

  為了解決細菌和哺乳動物在讀取DNA方式上的不同,讓細菌基因在哺乳動物中可以被轉錄、轉譯、正確摺疊成具功能的蛋白,他們利用一種病毒中的小分子蛋白P2A,將細菌中編碼氣體囊泡蛋白結構的多個基因連接在一起,藉由一個啟動子(promoter)來誘使哺乳動物細胞活化這些基因,表現出單一一個RNA,並同時被轉譯成蛋白質。他們建立了一套3組的基因簇,統稱作哺乳動物聲音播報基因(mammalian acoustic reporter gene, mARG),當一併植入哺乳動物細胞中,經過誘導後就能讓各個蛋白質表現特定的比例,成功製造出氣體囊泡。在此研究中,他們首次成功將9個來自原核生物的基因植入人腎細胞(HEK cells)中,使其穩定表現,並產生氣體囊泡;這些細胞在超音波底下顯現,而對照細胞則沒有。此外,此套mARG播報基因對哺乳動物細胞的型態沒有影響且不具毒性。

  為了測試這些細胞在動物中是否可見,研究人員將mARG轉移到病毒改造的HEK cell中,然後將其注入小鼠體内。這些細胞導致腫瘤在小鼠中增大,當研究人員用GFP觀察腫瘤時,它們顯示出綠色斑點。超音波提供了更精確的影像,顯示只有位於腫瘤邊緣的細胞才會開啟產生氣體囊泡的基因。因此,無論是體外或體內,這些細胞內的mARG都能受到調控而順利產生氣體囊泡,並具有高解析度的超音波成像。

  當然這套播報基因仍需要更多的研究去改善優化,例如將這些基因植入的基因工程十分複雜,如果能找到更簡單的方式進行,或許才能讓這個技術更加普及好用。如今,他們建立的這套mARG將可以用來研究腫瘤、免疫細胞、神經細胞和活生物體內其他細胞類型中的基因表達。透過進一步改良,希望有朝一日,生物學家能使用超音波觀察模式生物,研究其在自然生物環境中的細胞;而醫生也可利用超音波來監測患者基於細胞療法的成效,開創一個哺乳動物生醫研究的新時代。

 

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