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     时间:2021-04-07 18:05:13  来源:

    一项突破性的新技术使科学家能够在单个细胞中一次成像10,421个基因。

    这项工作是在龙彩的实验室中完成的。龙彩是生物学的研究教授,也是加州理工学院天桥和陈慧仪神经科学研究所的附属教员。一份描述这项研究的论文发表在6月7日的细胞杂志上。

    这项被称为内含子seqFISH(顺序荧光原位杂交)的新技术是一项重大进步,它能够一次识别数百个不同细胞中基因组中发生的一切。以前,研究人员只能通过显微镜在一次细胞中成像四个到五个基因。这项工作是基于Cai实验室先前的进展,包括2014年的seqFISH的早期版本和2017年的研究,在显微镜下分析了10,000多个基因。现在,将seqFISH放大到基因组水平即可在单个细胞内成像超过10,000个基因,相当于哺乳动物中基因总数的一半。

    为了将遗传指令转化为实际的功能蛋白,必须首先进行称为转录的过程。此过程通常以脉冲或“爆发”的形式发生。首先,将读取一个基因并将其复制到前体信使RNA或pre-mRNA中,就像写下快速粗略的草稿一样。然后,该分子成熟为信使RNA或mRNA,类似于编辑草稿。在“编辑”过程中,某些称为内含子的区域会从前mRNA中切出。

    该团队选择专注于标记内含子,因为它们是在转录过程中如此早期产生的,从而给出了细胞在基因表达的精确时刻在做什么的图片。

    使用新开发的内含子seqFISH技术,每个内含子都标记有独特的荧光条形码,从而可以在显微镜下看到它。观察内含子可以揭示当前单个细胞中哪些基因被打开,它们被表达的强度以及它们位于何处。可以同时成像10,421个内含子和10,421个基因。

    以前开发条形码技术的工作集中于标记mRNA本身,提供了在mRNA发育过程中几个小时内基因表达如何变化的度量。通过观察内含子,研究人员可以首次检查所谓的新生转录组-新合成的基因表达。这导致他们发现,在Cai所说的“令人惊讶的短”时间范围内,基因的转录在许多基因之间发生了全局振荡,与细胞分裂和自我复制所花费的时间相比,大约只有两个小时。这需要12到24小时。这意味着在两个小时的过程中,细胞内的许多基因会突然打开和关闭。

    以前没有观察到振荡现象的原因有很多。首先,由于两个小时的振荡在不同的单元之间不同步,因此通过需要多个单元的方法将波动平均化。其次,seqFISH方法的高精度使研究人员可以确定他们观察到的是真实的生物波动,而不是技术噪声。最后,当测量mRNA而不是内含子时,这些两小时的振荡被掩盖了,因为在哺乳动物细胞中,mRNA分子的寿命更长(三到四个小时)。

    另外,由于内含子停留在基因的物理位置,荧光成像内含子使研究人员可以观察到基因在染色体内的位置,DNA折叠进入细胞核的大结构。在这项工作中,研究小组惊讶地发现,大多数活跃的蛋白质编码基因都位于染色体表面,而不是埋在染色体内部。

    “这项技术可以应用于任何组织,”蔡说。他是“人类细胞图集”的合作者,该项目旨在定义人体中的所有细胞类型。“内含子seqFISH不仅可以帮助我们了解同一细胞的染色体结构,还可以帮助鉴定细胞类型以及细胞将要做什么。”

    该论文的标题是“内含子seqFISH在单个细胞中新生转录组的动力学和空间基因组学”。

     

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