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DNA测序或可实现“显微镜”功能,张锋等人Cell发表空间基因组学最新成果

如果要观察细胞,我们常常需要显微镜。现在,科学家已经开发出一种方法,可通过细胞自身的遗传物质对细胞进行“拍摄”,进而生成独特的可视化图像。虽然当前该方法生成的图像比传统显微镜图像要模糊,但这种方法或许可以帮助科学家们改进癌症治疗,并探索人类神经系统的形成过程等。

在今日发表于Cell杂志的重磅文章中,来自美国Broad研究所的三位科学家:Joshua A. Weinstein、Aviv Regev以及Feng Zhang(张锋),对这种空间基因组学方法进行了描述。研究人员介绍,该方法名为“DNA显微镜”(DNA microscopy)。它无需专门的昂贵光学设备,仅使用样本本身及相应试剂,就能使样本作为化学反应的一部分提供自身的空间信息,帮助阐明细胞和组织内遗传物质的空间组织结构。值得关注的是,该方法化学反应的产物可以直接通过DNA测序仪读出。

图:“DNA显微镜”收集数据的可视化图像。来源:Joshua Weinstein/Broad Institute

据悉,该方法的工作原理是先将细胞培养中选定的RNA反转录为cDNA,然后利用独特的核苷酸链(UMI)标记待研究的分子。这些标记会自我扩增,当它们扩增到与另一个cDNA标记接触时,连接处就会产生一个独特的核苷酸标签(UEI)。这些连接标签对于捕获细胞的DNA图像至关重要。如果两个cDNA分子一开始便十分接近,那么它们的扩增拷贝就会频繁地结合在一起,产生的标签就会比两个相距更远的cDNA分子更多。也就是说,任何两个cDNA越接近,它们产生的连接标签就越多最后,为了计算标签的数量,研究人员将提取并分析细胞中DNA。然后,计算机算法可以推断出DNA分子的原始位置,从而生成图像。通过“DNA显微镜”,科学家可以绘制出任何与合成DNA标签相互作用的分子群——细胞基因组、RNA和蛋白质。

Broad研究所博士后研究员Joshua A. Weinstein表示,这是一种全新的生物学可视化方式。从某种意义上说,最初的cDNA分子就像无线电发射塔一样,以DNA分子的形式相互发送信息。研究人员可以检测到一座“信号塔”与附近的另一座“信号塔”的通讯,并使用“信号塔”之间的传输模式来映射它们的位置。

为了验证这项技术的有效性,研究人员在携带绿色或红色蛋白质基因的细胞上进行了测试。虽然DNA microscopy方法获得的图像不如光学显微镜那么清晰,但它能够区分带有截然不同基因的红色细胞和绿色细胞。此外,该方法还能捕获细胞的排列。这种能力在分析来自人体器官的样本时可能具有重要作用。但目前,该技术还不能揭示细胞内部的细节。

图:传统光学显微镜(左)和“DNA显微镜”(右)捕获的一组细胞。来源:Joshua Weinstein/Broad Institute

“我们的目标不是取代光学显微镜,”Weinstein表示。但是“DNA显微镜”的确可以做一些光学显微镜做不到的事情。例如,光学显微镜往往无法区分具有不同DNA的细胞,如具有特定基因突变的肿瘤细胞或免疫细胞。因此,“DNA显微镜”可以通过识别能够攻击肿瘤的免疫细胞来帮助改善某些癌症的治疗。此外,随着神经系统的发育,细胞通常会产生独特的RNA来合成特殊的蛋白质,这项技术也可以帮助研究人员研究这类细胞。

目前,这项技术刚刚起步,其分辨率极限和灵敏度尚未量化,还需要进行更多实验。此外,也有其他研究人员指出,这种通过测序获得空间信息的方法可能要付出分辨率、灵敏度甚至通量的代价。但Weinstein表示,这项新技术可能会让生物分析向前迈出一大步,尤其是在某些“特殊”的生物系统应用中,如免疫细胞图谱或大脑,因为每一个生物样本都是独特且不可复制的。

作为空间基因组学的一项新方法,目前这一新兴领域正得到全世界科研人员的关注。相关技术在肿瘤学、神经科学和免疫学等疾病领域中将有很广泛的应用前景,而且有可能用于更广范围的生物学研究。目前,许多公司正在开发该领域的产品,包括10x Genomics、NanoString Technologies、Bruker、BioSpyder及Cartana等。

作者在论文中透露,他们已经申请了与该技术相关的专利。2014年,张锋和Weinstein在美国申请了“通过高通量测序绘制生物分子原位空间和细胞图谱”(Spatial and cellular mapping of biomolecules in situ by high-throughput sequencing)的专利。Weinstein坦言,他目前更关注的是传播,而不是商业化,当前主要目标是探索重要的生物学领域。

图:“DNA显微镜”相关专利申请。来源:USPTO

参考资料:

1. DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction

2. Envisioning DNA as Photons, Broad Team Turns Sequencers Into Microscopes

3. Researchers use DNA to take pictures of cells

4. New Technique Maps RNAs in Cells Without a Microscope

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本文由 测序中国 作者:陈初夏 发表,转载请注明来源!

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