DNA顯微鏡在空間上映射細(xì)胞和組織中的DNA和其他生物分子
麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)廣泛研究所的研究人員開發(fā)了一種新的方法來繪制細(xì)胞群,并可視化生物分子(包括不同的DNA和RNA序列)如何在細(xì)胞和組織中進(jìn)行空間組織。這種被稱為DNA顯微鏡的方法不需要任何光學(xué)或其他專用設(shè)備,而是使用核酸條形碼來確定分子在樣品中的相對(duì)位置。使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行,該過程僅需要細(xì)胞樣品,一些試劑和移液管,并且允許同時(shí)處理大量樣品。
麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)博士后研究員Joshua Weinstein博士說:“DNA顯微鏡是一種全新的細(xì)胞可視化方式,可同時(shí)從單個(gè)樣本中捕獲空間和遺傳信息。” “這將使我們能夠看到遺傳上獨(dú)特的細(xì)胞 - 例如包含免疫系統(tǒng),癌癥或腸道的細(xì)胞 - 如何相互作用并產(chǎn)生復(fù)雜的多細(xì)胞生命。”
Weinstein與計(jì)算和系統(tǒng)生物學(xué)家Aviv Regev博士和分子生物學(xué)家Feng Zhang博士一起報(bào)道了Cell的新技術(shù)。Regev補(bǔ)充說:“這不僅僅是一種新技術(shù),而是一種我們以前從未考慮過的事情。” 該團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文描述了人體細(xì)胞系的新方法和測試,標(biāo)題為“ DNA顯微鏡:通過獨(dú)立化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行無光學(xué)空間遺傳成像 ”。
今天的顯微鏡技術(shù)分為兩個(gè)基本類別。人們使用某種形式的光學(xué)器件,包括自17世紀(jì)以來一直存在的基本光學(xué)顯微鏡 - 以及更新近的電子,熒光和光片顯微鏡,它們都依賴于樣品發(fā)射光子或電子的事實(shí),這可能是檢測。這種類型的顯微鏡可以提供有關(guān)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的信息。第二類顯微鏡是基于在特定位置解剖樣本,并利用計(jì)算機(jī)程序?qū)⒚總€(gè)部分重新組裝成整體。與光學(xué)技術(shù)不同,基于解剖的顯微技術(shù)可以提供遺傳信息。
尚未開發(fā)的是單一技術(shù),可以完成光學(xué)和基于解剖的方法。“盡管細(xì)胞和組織的成像一直是生物學(xué)的基石,因?yàn)閹讉€(gè)世紀(jì)以前在光學(xué)顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞,但顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步迄今為止并沒有結(jié)合不斷增長的能力來精確測量基因組序列,”作者說。“雖然顯微鏡照亮了空間細(xì)節(jié),但它不會(huì)捕獲遺傳信息,除非它與單獨(dú)的基因檢測同時(shí)進(jìn)行。
理想情況下,我們將能夠識(shí)別具有差異基因表達(dá)模式的細(xì)胞位于特定組織內(nèi)的何處。“組織中具有獨(dú)特基因表達(dá)模式的細(xì)胞的空間組織對(duì)其功能至關(guān)重要,并且是高等生物分化,專業(yè)化和生理學(xué)的基礎(chǔ),”該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)說道。對(duì)于包括腸和神經(jīng)系統(tǒng),免疫系統(tǒng)和腫瘤的組織而言,這是正確的,其中表達(dá)具有不同突變的基因的不同細(xì)胞的組織可以影響腫瘤發(fā)生。
作者解釋,與現(xiàn)有的顯微鏡方法相比,DNA顯微鏡依賴于從單個(gè)分子的相對(duì)物理接近度進(jìn)行的圖像重建,并且以這種方式可以在高空間分辨率下獲得精確的遺傳信息。對(duì)于他們報(bào)道的研究,研究人員使用DNA顯微鏡來繪制樣本中個(gè)體人類癌細(xì)胞的位置。
為了可視化樣本的空間組織遺傳景觀,研究人員首先將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的細(xì)胞固定在反應(yīng)室中。然后,他們使用稱為獨(dú)特分子標(biāo)識(shí)符(UMI)的小型合成DNA條形碼隨機(jī)標(biāo)記細(xì)胞中的單個(gè)DNA或RNA分子。然后復(fù)制這些標(biāo)簽,從其原始位置向外擴(kuò)散到“云”中。“......將每一個(gè)分子描繪成一個(gè)向外廣播自己信號(hào)的無線電塔,”溫斯坦說。當(dāng)它們擴(kuò)散出來時(shí),復(fù)制的標(biāo)記分子最終會(huì)與其他標(biāo)記分子發(fā)生碰撞,并且它們結(jié)合成DNA對(duì)。然后,每次碰撞都有效地代表了作為化學(xué)反應(yīng)的新DNA序列產(chǎn)物。彼此接近的分子更可能碰撞并產(chǎn)生DNA對(duì)。反過來,
樣品基本上點(diǎn)綴有化學(xué)離散點(diǎn)。通過跟蹤UMI復(fù)制云之間的碰撞,研究人員可以減少原始UMI位置的不確定性。收集標(biāo)記的生物分子,測序,然后使用計(jì)算機(jī)算法解碼數(shù)據(jù)并重建標(biāo)簽的相對(duì)位置。得到的圖像是物理空間中分子位置的二維或三維遺傳詳細(xì)圖。
該圖基于數(shù)十萬個(gè)不同的維度,由標(biāo)記分子可以合理地傳達(dá)的分子數(shù)決定。“樣本中的化學(xué)反應(yīng)將信息編碼到DNA中,算法可以從中解碼分子的相對(duì)位置,而無需事先了解細(xì)胞身份或遺傳變異的性質(zhì),”Weinstein總結(jié)道。“DNA顯微鏡為我們提供了沒有顯微鏡定義的坐標(biāo)系的微觀信息。”
實(shí)際上,DNA顯微鏡可用于繪制任何可與合成DNA標(biāo)簽相互作用的分子組,包括基因組DNA,RNA或具有DNA標(biāo)記抗體的蛋白質(zhì)。“就像光學(xué)顯微鏡圖像分子與光子相互作用一樣(由于衍射或散射或因?yàn)檫@些分子自身發(fā)射光子)并在這些光子的波長和方向上編碼這些圖像,DNA顯微鏡成像與DNA相互作用的分子(包括用DNA或RNA標(biāo)記的DNA,RNA或分子)并對(duì)這些圖像進(jìn)行編碼,“作者指出。“由于DNA顯微鏡不依賴于專門的設(shè)備,并且可以使用普通實(shí)驗(yàn)室移液器以多孔格式進(jìn)行,因此它具有高度可擴(kuò)展性,因此可以并行處理大量樣品。”
“你基本上能夠在光學(xué)顯微鏡下精確地重建你所看到的東西,”溫斯坦說:“我們?cè)跀?shù)學(xué)上與光學(xué)顯微鏡中的光子類似地使用了DNA。這使我們能夠像細(xì)胞一樣看待生物學(xué),而不是像人眼一樣。“
作者承認(rèn),這項(xiàng)技術(shù)并不完美,因?yàn)樗鼰o法解決空間,例如兩個(gè)單元之間的間隙。需要做更多的工作來解決這個(gè)問題。“... DNA顯微鏡的一個(gè)關(guān)鍵弱點(diǎn)仍然是空間的分辨率,未來的工作將需要消除這一障礙,以便在分子密度存在空隙的情況下生成高質(zhì)量的樣品重建,”該團(tuán)隊(duì)評(píng)論道。然而,“DNA顯微鏡是研究細(xì)胞組織組織的一種引人注目的方法,如淋巴細(xì)胞,神經(jīng)元或突變的癌細(xì)胞,其中體細(xì)胞突變,重組基因片段和其他核苷酸水平變異來源賦予了重要的物理特征。后果“。
Weinstein認(rèn)為,該技術(shù)最激動(dòng)人心的應(yīng)用將是生物學(xué)領(lǐng)域,其中突變,RNA編輯和其他形式的核苷酸水平變異在生物體內(nèi)協(xié)同作用,以產(chǎn)生特定的生理結(jié)果,或引起疾病。“通過直接從被研究的分子中捕獲信息,DNA顯微鏡開辟了一種將基因型與表型聯(lián)系起來的新方法,”鄭評(píng)論說。
潛在的應(yīng)用包括觀察免疫系統(tǒng)發(fā)育,神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以及在相同腫瘤內(nèi)的不同細(xì)胞中映射基因突變與其與其他細(xì)胞和免疫系統(tǒng)的相互作用。“我們希望它激發(fā)想象力 - 人們會(huì)受到我們從未想過的偉大創(chuàng)意的啟發(fā),”Regev說。
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