深大牛憨笨团队取得基因组3D超分辨成像新突破

近日，来自深圳大学的研究人员联合清华大学、哲源科技、香港大学、柠檬数据、得州大学达拉斯分校的研究人员，在自主搭建的三维随机光学重建显微镜（3D—STORM）平台上，扩展了一种基于统计光学成像的诊断工具，用来原位捕获人基因组中特定非重复的短片段，获得了在复杂细胞核环境背景下、长度仅为2500碱基的DNA序列的3D超分辨图像。

【中美创新时报深圳6月28日讯】近日，来自深圳大学的研究人员联合清华大学、哲源科技、香港大学、柠檬数据、得州大学达拉斯分校的研究人员，在自主搭建的三维随机光学重建显微镜（3D—STORM）平台上，扩展了一种基于统计光学成像的诊断工具，用来原位捕获人基因组中特定非重复的短片段，获得了在复杂细胞核环境背景下、长度仅为2500碱基的DNA序列的3D超分辨图像。

该研究所获得的是迄今为止科学家在细胞核中直接观察到的最短DNA序列的三维纳米分辨图像，相关工作成果最近发表于国际高水平科学杂志《eLife》上。

30亿个碱基对“锁定”其中2500个

载有人类庞大遗传信息的基因组，是一部由30亿个碱基对排列组合而成的“天书”，里面有我们的“自传”，更蕴含着生命延续进化的密码。此项研究人员之一牛钢博士介绍，在30亿个碱基中获得2500个碱基的超分辨图像，相当于在由一百万人组成的人群中，精确识别并用图像记录下其中一个人的脸。

2015年，哈佛大学Wu Chao—ting教授和庄小威教授实验室联合建立了寡核苷酸探针FISH（Oligopaint—FISH）与STORM相结合的新方法，能够对最短为4900碱基的非重复基因组区域进行超分辨率成像。牛博士告诉记者，与哈佛的研究相比，他们将序列精度从最短4900碱基精确到了2500碱基，提升了近一倍，且从2D图像变成3D图像。

来自清华大学和得州大学达拉斯分校的共同通讯作者张奇伟教授认为，传统的FISH方法受限于各种因素而难以获得基因组中特定短片段的清晰微观图像。与哈佛的研究相比，此项研究不但进一步提高了基因组序列分辨率，还避免了繁琐的探针制备过程对实际应用的限制。

荧光原位杂交（FISH）是用于发现基因或染色体异常的分子诊断技术。首先在20世纪80年代初开发，它包括使用结合染色体特定部位的荧光探针来检测特定DNA序列是否存在。

此次发表于《eLife》上的这项工作成果，采用了分子信标（MB）探针的这一新方法（MB—FISH），能够在纳米分辨条件下展现目标DNA小片段在细胞核内三维空间的分布，推动了FISH技术捕获基因组特定短片段的能力。

有助于研究癌细胞内部结构功能

论文通讯作者之一、深圳大学牛憨笨院士曾表示，要提供解决根本问题的手段来研究生命现象，研究者需要理解研究方法和对象的物理本质。近20年来，牛憨笨院士不但致力于先进光学方法的创新，同时积极推动先进光学方法在生命科学中的应用。令人遗憾的是，牛憨笨院士于2016年7月因病逝世。

为了开发此次在《elife》上发表的方法，来自深圳大学的第一作者兼共同通讯作者倪燕翔博士首次把MB概念应用于基因组靶序列的标记上。MB的设计其实已存在多年并广泛应用：它通过形成发夹结构、淬灭未结合或脱靶探针的荧光团，从而大大减少非探针的荧光。但是，对基因组上特定双链DNA序列的某一单链进行标记实际上非常困难，目前成果使用MB标记基因组位点尚属首次。

“实验效果要好于我的预期，”倪博士说，“MB设计不仅显著降低了未结合和脱靶探针的荧光，而且有效减少探针与基因组其他区域的非特异性结合，后者也非常重要”。

张奇伟教授则表示，通过这种新方法，我们将能够精确地靶向基因增强子和启动子，使其相互作用原位可视化，同时可用来检测癌症和其他疾病中单细胞内特定DNA小片段及其之间相互作用的变化。

倪燕翔也认为，目前的阶段性进展虽然凸显了团队在单细胞纳米分辨尺度上原位成像人类和小鼠基因组中短序列的能力，但要完成牛院士制定的目标，还需要下一阶段的挑战性工作。“牛院士的光学团队正在升级成像系统，相信在升级之后的系统上，团队所建立的方法在接下来研究人类正常和疾病（比如癌症）细胞中3D基因组结构功能方面，将释放更大的潜力。”张光岩