在生物醫(yī)學(xué)研究中，如何在厚組織樣本中同時(shí)觀測(cè)數(shù)百種RNA和蛋白質(zhì)的復(fù)雜分布，一直是技術(shù)難題。
近日，《Science》發(fā)布的一項(xiàng)成果宣布開發(fā)出了新型成像技術(shù)cycleHCR，利用一種新穎的DNA條形碼系統(tǒng)，在厚生物樣本中的單個(gè)細(xì)胞內(nèi)追蹤數(shù)百種RNA和蛋白質(zhì)分子，從而向研究人員提供這些結(jié)構(gòu)在組織內(nèi)部組織方式的全景視圖。
RNA分子將DNA中的指令傳遞給蛋白質(zhì)，以執(zhí)行細(xì)胞的許多功能。了解這些分子在復(fù)雜組織中的位置，對(duì)理解基因在不同區(qū)域和細(xì)胞類型中的表達(dá)至關(guān)重要。這些信息使研究人員能夠解碼基因在生物體不同部位的功能、它們?nèi)绾瓮苿?dòng)發(fā)育，以及它們?cè)诟鞣N條件下如何變化。
研究人員認(rèn)為，這種新方法在其他領(lǐng)域也可能有潛在應(yīng)用，超越生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的范疇。
cycleHCR是基于先前開發(fā)的技術(shù)——雜交鏈反應(yīng)（HCR）。HCR能夠在目標(biāo)分子上組裝多個(gè)熒光團(tuán)，這些熒光團(tuán)在用熒光顯微鏡成像時(shí)會(huì)發(fā)出明亮的光，使研究人員能夠在組織深處觀察到單個(gè)細(xì)胞中的分子。
然而，HCR受到當(dāng)前熒光團(tuán)的限制，由于其覆蓋的光譜范圍寬廣，導(dǎo)致同時(shí)只能使用三到四種顏色。這意味著研究人員在樣本中只能檢測(cè)到少數(shù)幾種分子，從而難以全面了解它們?cè)诮M織中的組織情況。
為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新的DNA條形碼，可以將其附加到目標(biāo)分子上。就像超市商品上的條形碼指明每一種商品的獨(dú)特類型一樣，這些獨(dú)特的DNA條形碼允許研究人員標(biāo)記樣本中的每一類分子。
每個(gè)條形碼由兩個(gè)部分組成。當(dāng)這兩部分匹配時(shí)，目標(biāo)便通過HCR技術(shù)得到了放大。這兩部分的設(shè)計(jì)確保了標(biāo)簽的特異性，能夠精準(zhǔn)檢測(cè)單一類型的RNA分子。
條形碼的設(shè)計(jì)也便于去除，這樣就可以在同一樣本上進(jìn)行多輪HCR。初始成像使用三個(gè)條形碼，捕獲三種不同顏色的RNA分子。移除這些條形碼后，第二輪成像使用三個(gè)不同的條形碼，以此類推，通過多輪成像最終能夠在單個(gè)樣本中發(fā)現(xiàn)無限數(shù)量的目標(biāo)分子。
研究人員對(duì)分裂增強(qiáng)鏈反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了修改，現(xiàn)在在線增添了條形碼，使得研究人員可以在多個(gè)輪次中檢測(cè)數(shù)百種，甚至數(shù)千種RNA。除了RNA檢測(cè)外，研究人員還開發(fā)了使用相同條形碼檢測(cè)蛋白質(zhì)的方法，使研究人員能夠更好地理解RNA和蛋白質(zhì)在組織中的分布。
研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化改進(jìn)，使得研究人員在一天內(nèi)能夠檢測(cè)多達(dá)十種分子物種，而無需持續(xù)監(jiān)控整個(gè)過程。此外，研究人員開發(fā)了分析方法，用于繪制基因空間表達(dá)的位置，并幫助研究人員更好地理解原始數(shù)據(jù)。
在小鼠胚胎實(shí)驗(yàn)中，cycleHCR成功量化254個(gè)基因的空間表達(dá)，繪制全細(xì)胞類型圖譜，甚至發(fā)現(xiàn)未知新細(xì)胞，為胚胎發(fā)育研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
這一新技術(shù)已經(jīng)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，目前，研究團(tuán)隊(duì)已公開條形碼序列并簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，推動(dòng)技術(shù)普及。未來，cycleHCR或助力癌癥、神經(jīng)退行性疾病等研究，成為生命科學(xué)領(lǐng)域的“標(biāo)配工具”。隨著全球?qū)嶒?yàn)室的加入，分子級(jí)“生命地圖”的繪制正邁向新紀(jì)元。
雜志：Science
DOI：10.1126/science.adq2084
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