Nature Methods

细胞内钙离子（Ca2+）信号在生物学中普遍存在，是细胞信号传导的关键元素。现有的荧光传感器和报告基因虽然可以检测到Ca2+浓度升高的激活细胞，但这些方法需要通过植入物向深层组织传递光信号，无法在自由活动的动物中非侵入性地使用。8月5日Nature Methods的研究报道 Rapid, biochemical tagging of cellular activity history in vivo ，介绍了一种新型酶催化方法，通过在体内快速生化标记Ca2+浓度升高的细胞。该方法利用Ca2+激活的split-TurboID（CaST）酶，在外源生物素（biotin）分子的辅助下，在10分钟内标记激活的细胞。酶促信号随着Ca2+浓度和生物素标记时间的增加而增强，表明CaST可以作为总Ca2+活动的时间门控整合器。此外，与需要数小时才能产生信号的转录报告基因不同，CaST的读出可以在活动标记后立即进行。

细胞内离子浓度的动态变化使细胞能够响应和适应其局部环境，最终有助于机体的正常生理功能。例如，神经元作为大脑的基本功能单元，可以被各种外部刺激或药理化合物激活，导致细胞内Ca2+浓度的快速波动。因此，通过细胞内Ca2+水平的变化可以直接衡量复杂神经网络的活动。遗传编码的Ca2+指示剂已经极大地改变了我们在清醒和活动的动物中记录神经活动的能力。然而，荧光传感器的一个主要限制是其读出信号是瞬时的，并且通常需要侵入性的方法才能获得深层脑结构的光学信号。这使得将给定神经元的活动历史与其众多其他细胞特性（例如精确的空间定位、RNA表达或蛋白质表达）相结合变得具有挑战性。

为克服这一问题，先前的了正交转录报告基因（如FLARE、FLiCRE、Cal-Light）或荧光蛋白（如CaMPARI）以稳定标记在高细胞内Ca2+水平下激活的细胞。然而，这些方法都依赖光敏蛋白质，需要蓝光或紫外光来限制细胞活动标记的时间窗口。这一要求限制了其在深层脑区或无法植入光纤的体区的可扩展性。另一个稳定标记的方法包括基于即刻早期基因（IEG）的转录报告基因（如TRAP2和tetTag），这些方法利用药物注射而非光照来控制活动标记窗口。然而，虽然IEG活动已被证明与多种细胞类型的神经活动相关，但它远不如Ca2+作为通用的读出信号。此外，IEG表达的缓慢起效限制了在特定时间窗口内立即标记和识别激活的神经元的能力。

在该研究中，研究人员设计了一种依赖于Ca2+的酶，通过将外源生物素分子连接到激活的细胞上，来报告活细胞内Ca2+水平的升高。重新设计并重新利用了一种近距离标记酶split-TurboID，以在活细胞内通过外源生物素分子标记蛋白质来报告细胞内Ca2+水平的升高。这种方法在不需要光照的情况下，能够在几分钟内标记细胞，为神经活动记录提供了一种快速、非侵入性的新策略。