华人科学家小记：单细胞研究领域的先锋蔡龙

在加州理工学院，化学家蔡龙（Long Cai）正在开发一种新技术扩展在单细胞中可同时追踪的分子的数量。去年，这位崭露头角的加州理工学院(Caltech)的物理化学家获得了美国国家卫生研究院（NIH）的“创新奖”，他正采用一种称作超分辨率条形码的技术将基因组学和蛋白质组学应用到单细胞中从而将其投入充分的利用。

　　

生物通报道  在加州理工学院，化学家蔡龙（Long Cai）正在开发一种新技术扩展在单细胞中可同时追踪的分子的数量。去年，这位崭露头角的加州理工学院(Caltech)的物理化学家获得了美国国家卫生研究院（NIH）的“创新奖”，他正采用一种称作超分辨率条形码（super-resolution barcoding）的技术将基因组学和蛋白质组学应用到单细胞中从而将其投入充分的利用。

上接：屡发Nature、Science文章，蔡龙走在单细胞技术的前沿

对于蔡龙而言，向着超分辨率条形码的道路是从他过去的研究经历中自然产生的。甚至在开始上大学前他对于显微镜就已相当感兴趣。在他大学第四年的暑假期间，蔡龙在纽约州立大学石溪分校的一个研究实验室中研究了衍射光学。作为哈佛大学的大学生完成化学和物理学学习后，他留在了这所大学成为了单分子酶学研究人员谢晓亮（Sunney Xie）实验室的学生攻读博士学位。利用单分子光谱学，他们研究了单个细菌细胞中基因表达改变的基础分子机制，引人瞩目的研究论文发表在Science和Nature杂志上。

2006年在获得博士学位后，蔡龙来到了加州理工学院成为了系统和合成生物学专家Michael Elowitz实验室Beckman研究所成员。他们一起利用时差显微技术（time-lapse microscopy）在单个酵母细胞中研究了信号。2008年，他们在Nature上报告了他们的研究发现：一种称作Crz1的转录因子在短脉冲中定位到细胞核，脉冲的频率受到细胞外钙浓度的控制。这一细胞现象可以使转录因子协调多个基因的表达对外部信号做出响应。

蔡龙说：“两年前，当我在加州理工学院启动我的实验室时，我开始思考如何利用这些单分子技术在单细胞中开展更高通量的系统生物学研究，这代表了两种不同方法的密切结合：基因组学，可用于同时分析系统中所有的基因和蛋白质但生成的是所有细胞的一个平均值；单细胞生物学可在天然的环境中高精度地追踪单个细胞中的基因表达，但仅限于一次研究少数的基因。

“你可以看到他取得的自然进展，从他还是谢晓亮实验室的学生时，他就在细菌中检测单分子基因的表达，当他与Michael Elowitz一起完成博士后研究是在酵母中，”芝加哥大学系统生物学家Michael Rust说。在庄小威实验室做研究生时，Rust帮助开发了蔡龙使用的超分辨率成像技术——随机光学重建显微镜（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）。两人均还是哈佛大学的研究生时，Rust就认识了蔡龙。“他是一个很有创造力的科学家，过去在多个实验室而现在在他自己的实验室，他完成了一系列非常令人印象深刻的工作。”

达到全部潜力

最终，蔡龙的方法可以让科学家们探索更广泛问题，不仅是关于单个细胞中转录模式的基础，还有跨越细胞基因表达复杂模式的变化以及在发育和诸如癌症、细菌感染甚至孤独症等疾病状态中这样的异质性与细胞命运决定相关的机制。在未来的研究中，蔡龙将利用他的方法来比较酵母细胞跨代的基因表达以尝试了解更多与衰老过程相关的遗传回路，他的实验室正在致力将该技术的处理量扩展至超过100个基因，并将其应用到多细胞生物体中研究发育过程。

新泽西医学与牙科大学细胞生物学家Sanjay Tyagi （曾开发了探针在细胞中成像RNA单分子）说：“我认为他的方法是非常令人兴奋的。随着这些单分子方法获得应用，我们发现每个细胞与平均值都大不相同，有一些新的生物学隐藏在单个细胞中，我们完全忽视了它。基因表达异质性这一整体领域已经出现，因为进行单分子成像已成为可能。”

最终，这一过程有可能具有重要的临床意义。“如果你能在单细胞水平上完成它，甚至是在一个组织中，那么你将可能获得一种强有力的方法来进行疾病监控和诊断。因此，我认为这一技术具有很大的潜力，但在这变为可行之前还必须开发大量的技术，”艾伯特爱因斯坦医学院细胞生物学家Robert Singer说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Lubeck, E., and L. Cai. 2012. Single-cell systems biology by super-resolution imaging and combinatorial labeling. Nature Methods9(7):743-8.

Choi, P. J., L. Cai, K. Frieda, and X. S. Xie. 2008. A stochastic Single-Molecule event triggers phenotype switching of a bacterial cell. Science 322(5900):442-446.

Cai, L., N. Friedman, and X. S. Xie. 2006. Stochastic protein expression in individual cells at the single molecule level. Nature 440(7082):358-362.

Cai, L., C. K. Dalal, and M. B. Elowitz. 2008. Frequency-modulated nuclear localization bursts coordinate gene regulation. Nature 455(7212):485-490.