细胞中的基因活动复杂，就像是一场交响乐，每种基因的演奏时间和演奏旋律各不相同。如果只在某一瞬间看到细胞，科学家真的能理解它吗？

近期，美国密歇根大学安娜堡分校令狐昌洋教授团队开发出一种多重记录基因调控动态的新工具“细胞磁带（CytoTape）”，能够大规模、长时程地观察细胞活动。这是一种基因编码的、模块化的柔性蛋白质“磁带”，在细胞内部连续记录下细胞活动的细节，就如同树木的年轮一样。

图丨人源细胞中的细胞磁带（Nature）

值得关注的是，CytoTape 记录的信息能够通过传统显微镜读取，从而在实现在固定后的细胞和组织中，规模化地回溯过去的细胞活动历史：研究人员在单个活细胞内同时记录了 5 种不同的基因调控活动，在培养的小鼠活体神经细胞中最长可持续记录 21 天，在单个小鼠大脑中成功记录了 14,123 个神经元的 c-fos 基因表达历史，并验证了相关记录过程没有改变细胞和脑组织的正常生理功能。

这项研究不仅是细胞动态记录技术的重要进步，更为理解基因调控细胞功能、大脑功能和疾病机制打开了一扇新的时空观测之门，并有望拓展至癌症和发育生物学等领域的研究。

北京时间 1 月 27 日，相关论文以《规模化、多通道、长达数周的基因调控动态记录器》（Scalable and multiplexed recorders of gene regulation dynamics across weeks）为题发表在 Nature [1]。密歇根大学安娜堡分校博士后郑力荣、时冬青和博士生 Yixiao Yan 是共同第一作者，令狐昌洋担任通讯作者。

图丨相关论文（Nature）

审稿人认为这项研究令人印象深刻，其中一位审稿人评价称：“这项工作具有显著价值……将被世界各地的实验室探讨”。

可回溯过去：打破传统精度与规模的取舍

基因调控网络的动态变化，是细胞功能和疾病发生的关键因素。然而在活体成像中，长期以来面临精度和规模“鱼和熊掌不可兼得”的难题，无法大规模地读取单细胞精度信号。

简单来理解，活体成像往往存在一种物理极限：要看得细只能看得少；要看得多就看不细。例如，用光学的方法能够看到单细胞精度，但规模受到视场大小和生物组织中光吸收与光散射的限制；而核磁共振、CT 扫描、B 超等尽管可以扫描大脑全局，但无法达到单细胞精度。

在组织学方法中，把大脑保存固定、切片染色后，用光学的方法可以通过持续的高精度扫描来大规模地观测每个细胞。虽然这种方法避免了精度和规模的取舍，但其同时存在另一个关键挑战：保存固定后的大脑组织里，不再含有在它还活着时的时变信号。

研究团队从年轮结构记录树的生长过程中汲取灵感，提出了一个创新的想法：能不能在细胞中放入“磁带”，像用录音机那样持续记录活体大脑活动的历史信息呢？这样就能够通过磁带记录回溯过去，这对于分析原本瞬息万变的细胞活动尤为重要。

2023 年，该团队在 Nature Biotechnology 报道了记录生物信号的工具表达记录岛（XRI，expression Recording Island）[2]，尽管能记录单细胞精度的生理活动，但由于柔软度不够，记录的时长仍然有限，并且只能同时观测一种细胞信号。

为解决这些核心问题，研究团队从组成“磁带”的蛋白质材料特性入手提出了一个关键假设：由于细胞大小有限，材料越细越柔软则能在同样的空间里变得更长，从而记录更长时间、更多种类的信息。因此，他们尽可能将细胞磁带做得更细更柔软。

“细胞磁带能像真正的磁带那样在细胞内弯曲甚至卷起来，这种设计也为磁带变得更长奠定了基础。”令狐昌洋介绍道。

图丨小鼠神经元中的细胞磁带（Nature）

如何实现多重、跨数周尺度的细胞记录？

为实现长记录时间和多通道记录，需要设计出一种能在活细胞内稳定、持久、安全、有序组装的特殊蛋白质结构。这是一个蛋白质工程的难题。由于该方向的文献和既有经验相对较少，因此研究团队进行了多种方法的探索。

最初，他们尝试用扩散模型，即直接让 AI 生成这些组成磁带的蛋白质模块。尽管 AI 生成的设计在细胞内产生了线性结构，但它与现有设计在性能上还有一定差距。

令狐昌洋对 DeepTech 解释说道：“这就像是我们已经有了自行车，而 AI 只能自主造出一辆儿童脚踏车，虽然也能跑但距离我们理想中的跑车还有很大差距。”

紧接着，研究人员继续尝试不再让 AI 完全从头生成，而是给出已有的最好设计，再让它搜索单点突变进行改进。他们找到一个包含 L349K 突变的单体设计，能够在活细胞中自组装成长期保持纤细、稳定、柔韧的丝状纤维。

在这个阶段，“单车”已经升级为“摩托车”。研究人员进一步提出：能不能通过人类的思维进行进一步的理性设计？

他们对现有蛋白质设计的三个区域分别做出了多种改变，比如把某个区域缩短，进行类似于蛋白质剪枝的调整，或调整区域的顺序。研究人员发现，通过缩短连接子、C 端标签重定位以及截短绝缘体区域，“单车”已经逐步升级为“汽车”。

出乎研究人员意料的是，当他们将上述的 AI 和人类产生的数种改进组合在一起时，新的蛋白质设计被研究人员拼装成了一个“跑车”，产生的柔性细胞磁带的精度甚至能区分 30 分钟前后的两个时间信号，并且能持续记录长达 21 天。“这也验证了我们设计流程的合理性和有效性。”令狐昌洋表示。

图丨细胞磁带通过彩色标签记录基因表达动态（Nature）

回放生命的“交响乐章”：解码大脑与疾病的动态过程

由于每个细胞的“录制速度”（蛋白组装速度）并不完全一致，研究人员采用了基于 HaloTag[3] 或 Tet-On[4] 的时间戳机制：像时间标尺一样每隔一段时间就在磁带上加上时间标记，以此校准不同细胞的录制节奏，让细胞磁带上的时间标记与真实世界同步。

研究人员通过 AI 设计的蛋白质构建了能够慢慢生长的一维链条，将时间信息编码到蛋白纤维的空间位置中，并通过不同颜色记录不同的细胞信号和基因信号。

在小鼠的活体大脑中试验成功后，研究团队还进一步在海马体和大脑皮层等常见区域进行实验。通过为小鼠注射海人酸，让它产生类似癫痫的行为学活动，并成功记录了小鼠在癫痫发作时基因表达的变化。

有了这些经验，研究人员在不同的细胞种类中继续验证了 CytoTape 的功能，包括小鼠神经元、小鼠神经胶质细胞、人源胚胎肾细胞（HEK293T）以及人源宫颈癌细胞（HeLa）。

图丨细胞磁带记录基因调控动态的连续信号波形（Nature）

研究团队演示了在单细胞内同时记录五种不同基因调控动态的能力，包括 c-fos、Arc、Egr1、Npas4、CREB。这种多路复用记录揭示了个体细胞反应的异质性，例如在同样的刺激下，不同神经元的基因激活波形并不一样，有的简单而有的却很复杂。

（Nature）

此外，他们还发现了一些有趣的生物学现象：CREB 的激活并不总是导致下游 Fos 基因的稳定表达。令狐昌洋解释说道：“Fos 有点像小孩而 CREB 则像是家长。当 Fos 在 CREB 开启之前就较为活跃时，Fos 常常会出现与 CREB 不一致的活动；而当 Fos 比较安静时，它就非常愿意听 CREB 的话。”

总体而言，研究人员同时实现了单细胞精度和规模化记录：在神经细胞中最长可记录 21 天基因调控动态，最多能够在同一细胞内同时记录五种基因信号，并能同时读取细胞的空间位置信息。

这些现象和发现对于理解复杂的细胞生理过程具有重要意义，就像在交响曲中我们不仅能够听到钢琴、小提琴等各种乐器的演奏，还能听到它们之间的协作。同时观察多种基因调控信号，意味着可以了解不同信号在时间上的耦合特征。

尽管现有的空间组学技术同样具有空间分辨率，但其重点是抓拍大量分子的静态快照。与之不同的是，CytoTape 能够动态记录几种关键细胞信号的历史轨迹。研究人员基于 CytoTape 的时间分辨率可以根据信号和事件的先后顺序，对药物干预或行为刺激下的细胞响应进行因果推断。

图丨细胞磁带规模化地读取细胞信号（Nature）

规模化读取生物体细胞内的时空信号和活动，对于理解大脑和疾病的相关研究尤为重要，特别是比较不同种类的细胞、不同区域的细胞之间的协作现象。

未来，研究团队希望能在 AI 的辅助下观察更多基因并进行动态分析，进而解码大脑细胞集群的工作协作机制。学习、记忆、认知和意识等功能都由大脑产生，借助 AI for Biology 的规模化应用，有望理解细胞集群的协作是如何涌现出这些功能的，以及疾病是如何破坏这种协作的。

CytoTape 不只是一种工具，而是在改变“如何规模化研究细胞”的方式。研究团队希望未来与其他生物技术开发者和生物医学研究者合作，共同增强大规模细胞交互技术，助力解码细胞的“交响乐”和生命的机理。

令狐昌洋实验室（Spatial Biodynamics Lab）的研究方向是神经科学和生物技术，欢迎对该方向感兴趣的博士后和博士生申报加入该实验室。

图丨从左至右依次为：郑力荣、时冬青、Yixiao Yan 和令狐昌洋

参考资料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10156-9

2.https://doi.org/10.1038/s41587-022-01586-7

3.https://doi.org/10.1038/s41587-022-01524-7

4.https://doi.org/10.1016/S0896-6273(00)80533-4

5.令狐昌洋实验室 https://www.spatialbiodynamics.org

运营/排版：何晨龙