前沿 | 深大等機(jī)構(gòu)學(xué)者取得光學(xué)重建顯微鏡三維基因組應(yīng)用新進(jìn)展
? 3D-STORM捕獲的人基因組中特定非重復(fù)的短片段，圖片來(lái)自eLife
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近日，深圳大學(xué)的研究人員聯(lián)合清華大學(xué)、哲源科技、香港大學(xué)、檸檬數(shù)據(jù)、德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員，在自主搭建的三維隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（3D-STORM）平臺(tái)上，擴(kuò)展了一種基于統(tǒng)計(jì)光學(xué)成像的診斷工具，用來(lái)原位捕獲人基因組中特定非重復(fù)的短片段，獲得了在復(fù)雜細(xì)胞核環(huán)境背景下、長(zhǎng)度僅為2500堿基的DNA序列的3D超分辨圖像。
該研究是迄今為止在細(xì)胞核中直接觀察到的最短特異DNA序列的圖像，相關(guān)工作最近發(fā)表于國(guó)際高水平開(kāi)放雜志eLife上。
論文通訊作者之一、深圳大學(xué)牛憨笨院士曾表示，要提供解決根本問(wèn)題的手段，來(lái)研究生命現(xiàn)象，研究者需要理解研究方法和對(duì)象的物理本質(zhì)。近二十年來(lái)，牛憨笨院士不但致力于先進(jìn)光學(xué)方法的創(chuàng)新，同時(shí)積極推動(dòng)先進(jìn)光學(xué)方法在生命科學(xué)中的應(yīng)用。令人遺憾的是，牛憨笨院士于2016年7月因病逝世。
熒光原位雜交（FISH）是用于發(fā)現(xiàn)基因或染色體異常的分子診斷技術(shù)。首先在20世紀(jì)80年代初開(kāi)發(fā)，它包括使用結(jié)合染色體特定部位的熒光探針來(lái)檢測(cè)特定DNA序列是否存在。此次發(fā)表于eLife上的這項(xiàng)工作，推動(dòng)了FISH技術(shù)捕獲基因組特定短片段的能力。采用了分子信標(biāo)（MB）探針的這一新方法（MB-FISH）能夠在納米分辨條件下展現(xiàn)目標(biāo)DNA小片段在細(xì)胞核內(nèi)三維空間的分布；這種能力類(lèi)似于在擁擠的超過(guò)一百萬(wàn)人的大廳中精確識(shí)別出想要找的那個(gè)人。
來(lái)自清華大學(xué)和德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的共同通訊作者張奇?zhèn)ソ淌谡f(shuō)，“傳統(tǒng)的FISH方法受限于各種因素（包括標(biāo)記能力和光學(xué)分辨率）而難以獲得基因組中特定短片段的清晰微觀圖像。”
2015年，哈佛大學(xué)Wu Chao-ting教授和莊小威教授實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合建立了寡核苷酸探針FISH（Oligopaint-FISH）與STORM相結(jié)合的新方法，能夠?qū)ψ疃虨?900堿基的非重復(fù)基因組區(qū)域進(jìn)行超分辨率成像。
“雖然這種技術(shù)在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域精細(xì)組織方式研究很有前景，但我們希望能夠發(fā)展一種新方法: 不但進(jìn)一步提高基因組序列分辨率，重要的是，避免繁瑣的探針制備過(guò)程對(duì)實(shí)際應(yīng)用的限制。通過(guò)這種新方法，我們將精確地靶向基因增強(qiáng)子和啟動(dòng)子，使其相互作用，原位可視化，同時(shí)可用來(lái)檢測(cè)癌癥和其他疾病中單細(xì)胞內(nèi)特定DNA小片段及其之間相互作用的變化?！睆埰?zhèn)ソ淌谡f(shuō)。
為了開(kāi)發(fā)該方法，來(lái)自深圳大學(xué)的第一作者兼共同通訊作者倪燕翔博士首次把MB概念應(yīng)用于基因組特異靶序列的標(biāo)記上。MB的設(shè)計(jì)其實(shí)已存在多年并廣泛應(yīng)用：它通過(guò)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)、淬滅未結(jié)合或脫靶探針的熒光團(tuán)，從而大大減少非特異探針的熒光。但是，對(duì)特定雙鏈DNA序列的某一單鏈進(jìn)行標(biāo)記實(shí)際上非常困難。
然而“實(shí)驗(yàn)效果要好于我的預(yù)期，”倪博士說(shuō)，“MB設(shè)計(jì)不僅顯著降低了未結(jié)合和脫靶探針的熒光，而且有效減少探針與基因組其它區(qū)域的非特異性結(jié)合”。
倪博士補(bǔ)充道：“目前的階段性進(jìn)展雖然突顯了我們?cè)趩渭?xì)胞納米分辨尺度上原位成像人類(lèi)和小鼠基因組中特異短序列的能力，但要完成牛老師制定的目標(biāo)，我們還需要下一階段的挑戰(zhàn)性工作。相信在這個(gè)升級(jí)之后的系統(tǒng)上，我們團(tuán)隊(duì)建立的方法在接下來(lái)研究人類(lèi)正常和疾病（比如癌癥）細(xì)胞中3D基因組結(jié)構(gòu)功能方面，將釋放更大的潛力?！?span style="line-height: 32px; text-align: justify;">
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Ni et al. Super-resolution imaging of a 2.5 kb nonrepetitive DNA in situ in the nuclear genome using molecular beacon probes. eLife 2017;6:e21660. DOI: 10.7554/eLife.21660.
制版編輯：常春藤
