综述：调控报告基因转基因表达，解锁生物成像多元应用新密码

研究人员针对生物成像需求，开展调控报告转基因表达研究，实现多样生物读出，助力癌症与神经科学研究。

　　在生命科学的探索之路上，生物成像技术宛如一座明亮的灯塔，照亮了科研人员深入了解生物奥秘的征程。它能够让研究者们观察到细胞、组织乃至整个生物体内部的结构和功能，为解开生命密码提供了关键线索。然而，现有的生物成像技术并非尽善尽美。一方面，不同的成像模态各有优劣，没有一种模态能完美解决所有生物学问题。例如，光学成像的分辨率较高，但信号容易被组织吸收和散射；磁共振成像（MRI）虽然能提供高分辨率的图像，但成本较高，且对某些分子的检测灵敏度有限。另一方面，如何精准地利用报告转基因表达，以获得多样化且准确的生物学信息，仍是一个亟待攻克的难题。

为了突破这些困境，来自美国冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）的 Alexandria S. Battison、Joseph R. Merrill、Jeremy C. Borniger 和 Scott K. Lyons 等研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《npj Imaging》上，为生物成像领域带来了新的曙光。

研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术方法：

1. 基因编辑技术：利用 CRISPR/Cas9 技术，实现对报告转基因在基因组上的精准插入，使研究人员能够更精确地调控基因表达。
2. 病毒载体递送技术：通过改造病毒载体，如慢病毒、腺病毒、腺相关病毒（AAV）等，将报告转基因高效递送至目标细胞，确保基因的稳定表达或瞬时表达。
3. 构建多种转基因策略：设计包含不同启动子、终止子、增强子等元件的转基因表达载体，实现对报告转基因表达的多层次调控。

研究结果

1. 常用报告转基因：报告转基因已广泛应用于几乎所有主流成像模态，可分为产生或增强成像信号两类。选择合适的报告转基因取决于实验需求、成像模态特性、扫描仪的可及性以及相关成像材料的成本和可用性。例如，萤火虫荧光素酶（Firefly luciferase）常用于生物发光成像（BLI），绿色荧光蛋白（GFP）及其变体在荧光成像中应用广泛。不同的报告转基因在不同成像模态下各有优缺点，如 BLI 灵敏度高、成本低，但信号易受组织影响；荧光成像（FLI）具有多种光谱可区分的变体，但存在组织穿透性和自发荧光的问题12。
2. 调控报告转基因表达对生物读出的影响
   • 转录水平调控：启动子的选择对成像读出有深远影响。组成型启动子（如 PGK、EF1α）“始终开启”，其成像信号强度与标记细胞数量成正比，常用于追踪细胞位置和监测肿瘤发展；组织特异性启动子（如胰腺特异性 Ptf1a、星形胶质细胞特异性 Aldh1l1）可将报告转基因表达限制在特定细胞类型，但存在表达保真度问题；条件型启动子（如 NF-κB、四环素诱导系统）在特定生物状态或分子存在时激活，为研究特定生物学过程提供了有力工具345。
   • 转录后水平调控：在 mRNA 水平，可通过引入 floxed（或 FRT’d）终止盒实现组织或细胞类型特异性表达。例如，“Brainbow” 小鼠利用 Cre 重组酶随机重组荧光报告基因，实现神经元的彩色标记和追踪。此外，构建多顺反子构建体可同时表达多个报告转基因，结合不同成像模态的优势67。
   • 翻译后水平调控：在蛋白质水平，通过融合降解结构域（degrons）等方式调节报告转基因的功能。例如，FUCCI 细胞周期报告系统利用 geminin 和 CDT1 降解结构域，在细胞周期不同阶段产生不同荧光信号，实现对细胞周期的实时监测。同时，还可通过合成生物学方法构建生物传感器，用于检测离子、神经递质等物质89。
   
   
3. 神经科学中成像报告基因的特殊考虑
   • 离子功能成像：神经元化学突触传递的特性促使了多种检测神经元活动工具的发展。以 GCaMP 为代表的基因编码钙指示剂，可通过结合钙离子引发荧光变化，实时定量成像神经元内的钙动态，为研究神经元活动提供了关键手段。此外，还有用于检测其他离子（如钾离子）的工具1011。
   • 神经递质成像：利用报告转基因可对神经递质进行成像，了解其在突触处的释放和接收情况。如 iGluSnFR 用于检测谷氨酸，dLight1 用于检测多巴胺，还有针对 ATP、pH 等分子的传感器，为研究神经传递和细胞代谢提供了重要信息12。
   • 电压传感器：电压传感器能够直接监测神经元的电活动，通过检测膜电位变化改变荧光特性，实现对动作电位和亚阈值电压变化的实时可视化。例如，ASAP 和 JEDI-2P 等电压传感器在追踪快速神经元活动方面发挥了重要作用13。
   
   
4. 报告转基因标记方法对生物读出的影响
   • 递送载体选择：在植入模型中，稳定整合转基因的递送方法常用于肿瘤细胞研究，如利用非病毒载体（如脂质体、转座子系统）或病毒载体（如慢病毒、腺病毒）将转基因导入细胞。病毒载体具有感染性强、基因递送效率高的优点，但存在生物安全性问题；非病毒载体免疫原性较低，但体内转基因效率有待提高1415。
   • 神经追踪技术：在神经科学中，逆行追踪和顺行追踪是研究神经回路结构和连接性的重要技术。伪狂犬病病毒（PRV）可用于逆行追踪，通过其跨突触的运动特性，标记神经元的连接；AAV 的不同血清型具有不同的细胞嗜性，可用于特定细胞群体的基因递送1617。
   • 生殖系方法：通过生殖系将报告转基因引入转基因模型，为研究提供了稳定的实验动物模型。结合 CRISPR/Cas9 技术，可实现更精准的转基因插入，但同时也需要考虑转基因表达的免疫原性问题1819。
   
   

研究结论与讨论

这项研究全面地探讨了如何通过调控报告转基因的表达和递送方式，实现多样化的生物成像读出，为癌症神经科学等领域的研究提供了丰富的技术手段和理论支持。研究人员通过优化基因表达调控策略和基因递送方法，提高了生物成像的准确性和特异性，有助于深入了解肿瘤发展和神经活动的机制。同时，研究也指出了目前存在的问题，如转基因表达的免疫原性问题，为后续研究指明了方向。这一研究成果不仅推动了生物成像技术的发展，还为癌症治疗和神经科学研究开辟了新的道路，有望在未来带来更多的突破和创新。