“DNA顯微技術”誕生 可直接觀測基因組

顯微鏡是人類歷史上的偉大發(fā)明之一，在整個顯微鏡的發(fā)展史上有兩次重大突破，分別是光學顯微鏡和電子顯微鏡的發(fā)明。

現在，顯微技術領域可能正迎來第三次革命——“DNA 顯微鏡”問世！

2019 年 6 月 20 日，CRISPR 基因編輯重要貢獻者張鋒教授及其霍華德·休斯醫(yī)學研究所（HHMI）的同事，在 Cell雜志發(fā)表重磅成果，他們開發(fā)出一種全新的 “DNA 顯微鏡”，可以建立細胞的圖像，同時收集大量的基因組信息。

人類顯微視角進入新疆域

基于光學的顯微鏡，可以追溯到 17 世紀，它打開了人類對微觀世界的認識。光學顯微鏡主要依靠可見光照射樣本，通過一組透鏡組合來放大物品。

在生物醫(yī)學領域，光學顯微鏡的發(fā)明是一項革命性的技術突破，令我們認識到生命體的基本單位為細胞，同時大大助力人類對疾病的認知與防治，比如青霉素的發(fā)現。

之后科學家們又對光學顯微方法進行了反復升級，甚至超越了可見光譜。

1913 年恩斯特·魯斯發(fā)明的電子顯微鏡，更是將顯示水平拉到原子級別。它讓研究人員可以在原子水平去了解生理學過程及單個分子的結構。

如今，科學家已經可以使用光、x 射線和電子來觀察組織和細胞內部。

大家熟悉的電子顯微鏡、熒光顯微鏡、薄層顯微鏡，它們都是基于探測樣品發(fā)射光子或電子的原理進行觀測的。通過這類顯微鏡，科學家們可以追蹤大腦中類似絲狀的神經纖維，甚至可以觀察活的老鼠胚胎如何產生原始心臟的跳動細胞。

然而，這些顯微鏡都無法看到在基因組水平的細胞中發(fā)生了什么。

為了對核酸水平進行直接觀測，實驗室及臨床中大多依賴分子探針技術，即將與待觀察核酸互補的堿基對導入細胞中，利用堿基互補配對原則標記待測核酸，再通過熒光等其他顯色物質來顯示待測核酸。這種間接方法雖能令研究者觀測核酸，但其標本制備過程繁瑣，耗時耗力。

而此次張鋒教授研發(fā)的 DNA 顯微技術，通過獨特的成像模式，采用特殊的成像原理，可將物理圖像編碼 DNA，先利用標記核酸的”堆疊“編碼每一種核酸，再采用數據分析”投射“其物理圖像，從而實現對基因組的直接觀測。

最新的 DNA 顯微技術顯像原理與我們想象中的可能不同，并不是直接對 DNA 鏈進行顯示。這是由于 DNA 中的每個堿基分子在每個細胞內存在的數量十分微小，哪怕我們直接標記，也很難直接觀測到其標記信號。

因此，張鋒教授的研究團隊采用了一個十分巧妙的方法來解決這一問題，他們采用了”堆疊“分子的化學合成法。

首先，研究人員將待測細胞滴在載玻片上，并進行相應的固定。隨后，往細胞內注入各種各樣的 DNA 標記物（這里用的是 cDNA 片段），這些 DNA 標記物會連接到與其互補的 RNA 分子上，使其具有唯一的標簽。

但到此為止，我們還是不能直觀地觀測基因組，所以化學合成法派上用場了，研究人員以這些導入的 DNA 標記物為模板，大量擴增其副本，使每一個標記核酸都掛著”一大堆標記副本“，這樣通過”分子堆疊“就使的相鄰的標記分子相互碰撞，進而使它們連在一起。

該研究的主要負責人之一 Joshua A. Weinstein 教授表示，可以把每一個分子想象成一個向外發(fā)射自己信號的無線電發(fā)射塔?？康脑浇?，那么就可以產生更多的 DNA 對，”分子堆疊“效應更明顯，反之，靠的越遠，這些 DNA 對越少，”分子堆疊“效應更弱。

在這一過程進行大約 30 個小時后，研究人員就拼湊出識別每一堿基的”分子堆“，然后該團隊通過計算機算法解析這些”分子堆“信號，將原始樣本中的約 5000 萬個基因的堿基序列轉化為圖像，進而使實驗者在光學顯微鏡下觀測樣本基因組信息。

參與本項研究的霍華德·休斯醫(yī)學研究所研究員 Aviv Regev 表示，捕捉這樣一個細胞的完整圖像不需要昂貴的顯微鏡或很多昂貴的設備，只需要樣本和一根”吸管“就夠了。

可能引發(fā)生物醫(yī)學領域的重大突破

在 DNA 顯微技術原理及設備制備完成后，研究人員利用幾個我們熟知的基因對 DNA 顯微技術的顯示效果進行了驗證。研究人員選擇了基礎實驗中最常用的幾種標記蛋白，研究發(fā)現，DNA 顯微技術能夠很好地重建普通熒光顯微鏡捕捉的細胞圖像。

Weinstein 教授表示，”你基本上能夠完全重建你在光學顯微鏡下看到的東西。這兩種方法是互補的。光學顯微鏡可以很好地看到分子，即使它們在樣品中稀疏，DNA 顯微技術在分子密集時，甚至在分子堆疊時，其也擁有十分出色的顯示效果?！?/p>

此次研究的核心研究者張鋒教授說，”每個細胞都有獨特的 DNA 堿基或基因型組成。通過直接從被研究的分子中捕獲信息，DNA 顯微技術開辟了一種將基因型與表型聯系起來的新方法“。這使得研究者可以更為直觀的將基因表達與蛋白功能表達聯系在一起，促進生物學各分支的飛速發(fā)展。

此次 DNA 顯微技術的發(fā)明是整個生物醫(yī)學領域的重大突破。每次顯微技術的突破都會帶來生物醫(yī)學領域內出現新的研究領域，比如冷凍電鏡的發(fā)明，直接將整個結構生物學帶到新的高度。

因此，此次 DNA 顯微技術的開發(fā)，其意義并不局限于其自身技術的突破，更為重要的是其未來的應用前景與潛力，這會激發(fā)其他研究者對基因型與表型關系、腫瘤特異性靶向藥物和受體阻斷劑等多個領域更為深刻的創(chuàng)造力。

免疫系統(tǒng)就是一個完美的例子，免疫細胞基因可以因一個堿基改變而變異，每一種變異都會引發(fā)細胞產生的抗體類型發(fā)生巨大變化，而細胞在組織中的不同位置也能改變抗體的產生。Weinstein 認為，有一天 DNA 顯微技術可以幫助科學家們加速癌癥免疫療法治療的發(fā)展，幫助患者的免疫系統(tǒng)自主對抗其體內的腫瘤組織。他說，該方法可能潛在地識別出最適合靶向特定癌細胞的免疫細胞。

在 Regev 看來，這種顯微技術的潛力是非常大的?！蔽覀兿Ｍ芗ぐl(fā)人們的想象力，讓人們受到我們從未想過的偉大想法的啟發(fā)。“