前沿 | 深大等機構學者取得光學重建顯微鏡三維基因組應用新進展

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3D-STORM捕獲的人基因組中特定非重複的短片段，圖片來自eLife

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近日，深圳大學的研究人員聯合清華大學、哲源科技、香港大學、檸檬數據、德州大學達拉斯分校的研究人員，在自主搭建的三維隨機光學重建顯微鏡

（3D-STORM）

平台上，擴展了一種基於統計光學成像的診斷工具，用來原位捕獲人基因組中特定非重複的短片段，獲得了在複雜細胞核環境背景下、長度僅為2500鹼基的DNA序列的3D超分辨圖像。

該研究是迄今為止在細胞核中直接觀察到的最短特異DNA序列的圖像，相關工作最近發表於國際高水平開放雜誌eLife上。

論文通訊作者之一、深圳大學牛憨笨院士曾表示，要提供解決根本問題的手段，來研究生命現象，研究者需要理解研究方法和對象的物理本質。近二十年來，牛憨笨院士不但致力於先進光學方法的創新，同時積極推動先進光學方法在生命科學中的應用。令人遺憾的是，牛憨笨院士於2016年7月因病逝世。

熒光原位雜交

（FISH）

是用於發現基因或染色體異常的分子診斷技術。首先在20世紀80年代初開發，它包括使用結合染色體特定部位的熒光探針來檢測特定DNA序列是否存在。此次發表於eLife上的這項工作，推動了FISH技術捕獲基因組特定短片段的能力。採用了分子信標

（MB）

探針的這一新方法

（MB-FISH）

能夠在納米分辨條件下展現目標DNA小片段在細胞核內三維空間的分布；這種能力類似於在擁擠的超過一百萬人的大廳中精確識別出想要找的那個人。

來自清華大學和德州大學達拉斯分校的共同通訊作者張奇偉教授說，「傳統的FISH方法受限於各種因素

（包括標記能力和光學解析度）

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Wu Chao-ting教授和庄小威教授實驗室聯合建立了寡核苷酸探針FISH

（Oligopaint-FISH）

與STORM相結合的新方法，能夠對最短為4900鹼基的非重複基因組區域進行超解析度成像。

「雖然這種技術在染色質結構域精細組織方式研究很有前景，但我們希望能夠發展一種新方法: 不但進一步提高基因組序列解析度，重要的是，避免繁瑣的探針製備過程對實際應用的限制。通過這種新方法，我們將精確地靶向基因增強子和啟動子，使其相互作用，原位可視化，同時可用來檢測癌症和其他疾病中單細胞內特定DNA小片段及其之間相互作用的變化。」張奇偉教授說。

為了開發該方法，來自深圳大學的第一作者兼共同通訊作者倪燕翔博士首次把MB概念應用於基因組特異靶序列的標記上。MB的設計其實已存在多年並廣泛應用：它通過形成髮夾結構、淬滅未結合或脫靶探針的熒光團，從而大大減少非特異探針的熒光。但是，對特定雙鏈DNA序列的某一單鏈進行標記實際上非常困難。

然而「實驗效果要好於我的預期，」倪博士說，「MB設計不僅顯著降低了未結合和脫靶探針的熒光，而且有效減少探針與基因組其它區域的非特異性結合」。

倪博士補充道：「目前的階段性進展雖然突顯了我們在單細胞納米分辨尺度上原位成像人類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，我們還需要下一階段的挑戰性工作。相信在這個升級之後的系統上，我們團隊建立的方法在接下來研究人類正常和疾病

（比如癌症）

細胞中3D基因組結構功能方面，將釋放更大的潛力。」

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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.

製版編輯：常春藤

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