Разноцветные нейроны

На фото — нейроны коры головного мозга мыши, окрашенные методом Brainbow (от английского «brain» — «мозг» и «rainbow» — «радуга»), а не фрагмент картины Густава Климта и не полотно художника-абстракциониста, как можно было бы подумать. Эта технология окрашивания позволяет рассмотреть нейроны по отдельности и проследить их связи между собой, в том числе in vivo (на живой ткани при живом организме). Каждая клетка окрашивается случайным образом в разные цвета и благодаря этому хорошо заметна на фоне других нейронов. Разнообразие оттенков достигается смешиванием в разных пропорциях всего нескольких флуоресцентных белков, например зеленого, синего и красного.

Зубчатая извилина в гиппокампе мыши, окрашенная методом Brainbow. Рисунок из статьи T. A. Weissman et al. Generating and imaging multicolor Brainbow mice

В основе метода лежит так называемая Cre-Lox рекомбинация (см.: Cre-Lox recombination), в процессе которой фермент Cre-рекомбиназа (см.: Cre-recombinase) узнает специфические участки ДНК (lox-сайты), а затем вырезает расположенные между ними фрагменты или переворачивает их. Lox-сайты бывают разных типов, все они одинаково хорошо узнаются рекомбиназой, но разрез происходит только между двумя одинаковыми.

Чтобы заставить клетку светиться произвольным цветом, в ее ДНК внедряется конструкция из цепочки генов разных флуоресцентных белков, чередующихся с lox-сайтами. Перед этим «поездом» помещают регуляторный участок, способный взаимодействовать с ближайшим геном и активировать его. Под воздействием Cre-рекомбиназы порядок или количество генов меняется, и любой из них может провзаимодействовать с регуляторной областью. Это случайный процесс, вероятность оказаться непосредственно после промотора одинакова для всех трех белков. Разнообразие цветов же достигается за счет размещения в клетке нескольких независимых конструкций. В этом случае количество вариантов окраски для каждой клетки многократно возрастает.

Один из вариантов внедряемой в ДНК конструкции. Если рекомбиназы нет, клетки не светятся, потому что активаторная область (UAS) отделена от генов флуоресценции (EGFP, mTFP1.0 и mKO2) стоп-сигналом (Stop), и гены «молчат». В противном случае ДНК, расположенная между двумя любыми одинаковыми lox сайтами (1 и 1, 2 и 2, 3 и 3), вырезается вместе со стоп-сигналом, и ген, оказавшийся ближе всех к активаторной области, включается. Если в одной клетке находится несколько таких конструкций, они независимо запускают производство разных белков, и мы наблюдаем смешение цветов. Рисунок из статьи S. Hampel et al., 2010. Drosophila Brainbow: a recombinase-based fluorescence labeling technique to subdivide neural expression patterns

Технология Brainbow примечательна тем, что ее можно использовать in vivo. Вся вышеописанная конструкция с Cre-рекомбиназой и цепочкой флуоресцентных белков может быть перенесена в эмбриональные клетки, из которых впоследствии получают трансгенные организмы с флуоресцентной окраской нейронов. Этот метод успешно работает на таких модельных животных, как мухи и мыши (например, см.: D. Cai et al., 2013. Improved tools for the Brainbow toolbox). Недавно он был переработан для эпителиальных клеток (по аналогии, новая технология получила название «skinbow»), и с его помощью ученые проследили за изменением покровов при регенерации у рыбки Danio rerio (C.-H. Chen et al., 2016. Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish).

Обложка журнала Developmental Cell от 21 марта 2016 года, в котором вышла статья, посвященная методу Brainbow

Фото из статьи: Tamily A. Weissman, Joshua R. Sanes, Jeff W. Lichtman, Jean Livet. Generating and imaging multicolor Brainbow mice // Cold Spring Harbor Protocols. 2011. DOI: 10.1101/pdb.top114.

Вера Мухина