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在一項(xiàng)新的研究中，一項(xiàng)突破性的新技術(shù)使得科學(xué)家們一次能夠成像觀察單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的10421個(gè)基因。這項(xiàng)研究是在美國(guó)加州理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所生物學(xué)研究教授Long Cai的實(shí)驗(yàn)室中完成的。相關(guān)研究結(jié)果于2018年6月7日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Dynamics and Spatial Genomics of the Nascent Transcriptome by Intron seqFISH”。
圖片來(lái)自Cai laboratory。
這種被稱為內(nèi)含子seqFISH（sequential fluorescence in situ hybridization, 連續(xù)熒光原位雜交）的新技術(shù)是在能夠一次識(shí)別上百個(gè)細(xì)胞的基因組中發(fā)生什么上取得的一項(xiàng)重大進(jìn)展。在此之前，人們僅能夠利用顯微鏡一次對(duì)細(xì)胞中的4到5個(gè)基因進(jìn)行成像觀察。這項(xiàng)研究建立在Cai實(shí)驗(yàn)室取得的早前進(jìn)展的基礎(chǔ)之上，包括2014年的seqFISH早期版本和2017年在顯微鏡下對(duì)1萬(wàn)多個(gè)基因進(jìn)行分析的研究。如今，將seqFISH的規(guī)模擴(kuò)大到基因組水平使得能夠?qū)蝹€(gè)細(xì)胞內(nèi)的10000多個(gè)基因---大約占哺乳動(dòng)物基因總數(shù)的一半---進(jìn)行成像觀察。
為了將基因中的遺傳指令轉(zhuǎn)化為具有實(shí)際功能的蛋白，一種被稱作轉(zhuǎn)錄的過(guò)程首先必須發(fā)生。這個(gè)過(guò)程經(jīng)常以脈沖或“突發(fā)”的形式發(fā)生。首先，基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生信使RNA前體（pre-mRNA）。pre-mRNA隨后經(jīng)剪接后產(chǎn)生成熟的信使RNA（mRNA）。在這種剪接過(guò)程中，某些被稱為內(nèi)含子的區(qū)域從pre-mRNA中切除。
Cai團(tuán)隊(duì)選擇著重關(guān)注對(duì)內(nèi)含子進(jìn)行標(biāo)記，這是因?yàn)樗鼈兪窃谵D(zhuǎn)錄過(guò)程的早期產(chǎn)生的，這有助了解細(xì)胞在基因表達(dá)的時(shí)刻在做什么。
利用這種新開(kāi)發(fā)的內(nèi)含子seqFISH技術(shù)，每個(gè)內(nèi)含子都標(biāo)記上一種*的熒光條形碼，這就是使得能夠利用顯微鏡進(jìn)行觀察。對(duì)內(nèi)含子進(jìn)行觀察揭示出哪些基因當(dāng)前在單個(gè)細(xì)胞中表達(dá)，它們的表達(dá)強(qiáng)度和它們所在的位置。這樣一次就能夠?qū)?0421個(gè)內(nèi)含子---因而對(duì)10421個(gè)基因---進(jìn)行成像觀察。
之前開(kāi)發(fā)條形碼技術(shù)的研究工作主要集中在對(duì)mRNA本身進(jìn)行標(biāo)記，從而測(cè)量在mRNA產(chǎn)生后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)基因表達(dá)如何發(fā)生變化。研究?jī)?nèi)含子使得這些研究人員研究所謂的新生轉(zhuǎn)錄組（nascent transcriptome）---新合成基因的表達(dá)。這導(dǎo)致他們發(fā)現(xiàn)相比于細(xì)胞發(fā)生分裂和進(jìn)行自我復(fù)制所需的時(shí)間（大約12～24個(gè)小時(shí)），基因轉(zhuǎn)錄在“非常短”的時(shí)間范圍內(nèi)（僅大約兩個(gè)小時(shí)）在許多基因上發(fā)生全局性地波動(dòng)。這意味著在兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)的許多基因?qū)?huì)突然地開(kāi)啟和關(guān)閉。
之前沒(méi)有觀察到這種波動(dòng)現(xiàn)象有幾個(gè)原因。首先，鑒于這兩個(gè)小時(shí)內(nèi)的波動(dòng)在不同細(xì)胞之間并不同步，因此這些波動(dòng)在需要很多細(xì)胞的方法中被平均掉。其次，這種seqFISH方法的高度準(zhǔn)確性允許這些研究人員能夠確定他們觀察到的是真實(shí)的生物波動(dòng)，而不是技術(shù)噪音。后，當(dāng)測(cè)量的對(duì)象是mRNA而不是內(nèi)含子時(shí)，這兩個(gè)小時(shí)內(nèi)的波動(dòng)被掩蓋掉了，這是因?yàn)閙RNA分子在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中具有較長(zhǎng)的壽命（3～4個(gè)小時(shí)）。
此外，鑒于內(nèi)含子停留在基因所在的物理位置上，因此對(duì)內(nèi)含子進(jìn)行熒光成像觀察允許人們能夠可視化觀察基因在染色體中的位置。在這項(xiàng)研究中，Cai團(tuán)隊(duì)吃驚地發(fā)現(xiàn)大多數(shù)有活性的蛋白編碼基因位于染色體表面上，而不是埋藏在它的內(nèi)部。
Cai說(shuō)，“這種技術(shù)能夠應(yīng)用于任何組織。除了讓我們觀察相同細(xì)胞中的染色體結(jié)構(gòu)之外，內(nèi)含子seqFISH能夠有助于識(shí)別細(xì)胞類型，以及細(xì)胞要做什么。”（生物谷 ）
參考資料：
Sheel Shah6, Yodai Takei6, Wen Zhou et al. Dynamics and Spatial Genomics of the Nascent Transcriptome by Intron seqFISH. Cell, Published online: June 7, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.05.035
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