重大突破！染色質(zhì)擴展顯微鏡技術可破解基因組秘密
開啟或關閉基因的能力是我們在細胞、個體甚至在健康和疾病方面觀察到的多樣性的基礎。這個過程被稱為基因轉(zhuǎn)錄，涉及到將儲存在我們的DNA中的信息轉(zhuǎn)化為RNA。
在此之前，科學家們一直依靠不精確的圖解和間接的實驗來了解這一過程，因為它發(fā)生在分子水平上，并不直接可見。然而，在一項新的研究中，一種突破性的顯微鏡技術如今使得科學家們能夠觀察到遺傳物質(zhì)內(nèi)以前不可見的分子過程，為了解基因如何被激活和調(diào)節(jié)提供了寶貴的見解。相關研究結(jié)果發(fā)表在2023年7月7日的Science期刊上，論文標題為“Chromatin expansion microscopy reveals nanoscale organization of transcription and chromatin”。
? ? ? ?論文共同通訊作者、美國耶魯大學醫(yī)學院遺傳學教授Antonio Giraldez博士研究了基因組中的DNA代碼以及細胞如何解釋這些代碼以制造胚胎。理解這些過程的一個關鍵方面涉及我們對基因組進行可視化觀察的能力。
不幸的是，傳統(tǒng)的顯微鏡方法有局限性。為了克服這些限制，Giraldez和他的同事們，包括論文第一作者Mark Pownall，與耶魯大學醫(yī)學院細胞生物學教授Joerg Bewersdorf博士合作，開發(fā)了一種名為染色質(zhì)擴展顯微鏡（chromatin expansion microscopy, ChromExM）的新技術。
在這篇論文中，他們利用這種技術成功地將斑馬魚胚胎細胞的細胞核體積增加了4000倍，從而極大地提高了圖像分辨率。該技術使得科學家們首次觀察到在胚胎發(fā)育過程中單個分子如何塑造細胞中的基因表達，并提出了一種關于基因如何受到調(diào)節(jié)的新模型。
Giraldez說，“我們的研究使我們能夠觀察到細胞核中的基本過程，這是生命中一切（從胚胎的形成到癌癥）的基礎。我們可以觀察到我們以前只能想象的過程?！?/p>
Giraldez說，精子使卵子受精后，基因組最初是“沉默的”。受精卵必須轉(zhuǎn)化為一種瞬時多能干細胞---一種可以產(chǎn)生許多不同類型細胞的細胞---才能發(fā)育成健康的胚胎。對這種細胞制造其他細胞的能力進行編程需要啟動基因組。
多年來，Giraldez和他的團隊一直在研究基因組如何被激活。他們已經(jīng)取得了重大進展，從識別重要的參與者到了解哪些基因被激活。Giraldez說，“但是我們從來沒有親眼見過基因組的激活。描述事情可能發(fā)生的方式和實際見證事情發(fā)生的方式是有區(qū)別的?！?/p>
ChromExM幫助科學家們可視化觀察基因組
在之前的研究工作中，Bewersdorf開發(fā)了一種名為pan-ExM的技術，該技術涉及將細胞固定在一種可膨脹的凝膠上，以便能夠以前所未有的分辨率對細胞特征進行可視化觀察。隨著凝膠的膨脹，它將細胞和其中的蛋白拉開，同時保持它們的空間分布，直到細胞的體積擴大64倍。然后，用第二種凝膠，該團隊重復了這個過程，使細胞的體積增長了4000倍。
在這項新的研究中，Giraldez和Bewersdorf實驗室合作創(chuàng)建了ChromExM，并它其應用于胚胎，以便可視化觀察基因如何受到調(diào)節(jié)。如今，每個細胞大約是一個胚胎的大小。Giraldez說，“我們使用了一種非常傳統(tǒng)的工具，即共聚焦顯微鏡，當與ChromExM結(jié)合時，它使我們能夠獲得細胞分子機制的這種令人難以置信的分辨率。即使是最強大的顯微鏡也無法對此進行可視化觀察?！?/p>
他解釋說，這個過程就像玩具蛋放在水里時膨脹成恐龍一樣。當玩具蛋第一次被投入玻璃器皿中時，恐龍的特征還不明顯。但隨著玩具蛋的長大，它從無定形的東西轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂性敿毺卣鞯目铸垺iraldez說，“那只恐龍可能已經(jīng)長大了兩到三倍?，F(xiàn)在想象一下，這種增長的規(guī)模是4000倍?！?/p>
通過ChromExM，該團隊能夠首次看到基因組的基本運作過程。這使他們能夠開發(fā)出一種關于基因如何受到調(diào)控的新模型，他們將它命名為“親吻-踢打（kiss-and-kick）”，以描述DNA中稱為增強子的調(diào)控區(qū)域如何與基因的起始部分（啟動子）相互作用以觸發(fā)基因的表達，以及轉(zhuǎn)錄起始后隨后如何分離基因的調(diào)控區(qū)域以暫?；虮磉_。
Giraldez說，“這就像從二十世紀八十年代的像素化黑白手機屏幕到今天的超高清彩色大屏幕。我們的技術使我們能夠看到以前不可能的細節(jié)?！?/p>
有了這種新方法，該團隊期待著研究直到最近還無法測試的假設。例如，除了觀察到基本的分子過程，他們還希望探索不同的基因是如何開啟或關閉的，它們在細胞核中相對于其他基因的位置如何，以及突變?nèi)绾斡绊懟蛭恢谩?/p>
此外，雖然其他顯微鏡技術可能過于昂貴，但ChromExM對大多數(shù)實驗室來說是可以使用的。Giraldez說，“我們的研究將使一種觀察分子過程如何在細胞核內(nèi)發(fā)生的方法大眾化，這將開辟新的研究領域?！?/p>
該團隊如今希望能進一步提高這種技術的分辨率。雖然他們?nèi)缃衲軌蛑庇^地觀察到與基因組相互作用的分子，但他們?nèi)匀粺o法識別單個基因。Giraldez解釋說，“想象一下，你在太空中拍了一張紐約市的照片。以前你只能看到島，但現(xiàn)在你可以看到城里的人。但我們?nèi)匀徊恢肋@些人是誰。如果你把這些人看作是我們想要看到的基因，那么我們接下來想要一種能讓我們關注單個人的相機。這一細節(jié)將使科學家們了解基因如何開啟和關閉、斷裂或修復的基本原理，以及突變?nèi)绾斡绊懫涔δ?--所有這些都是了解我們的基因如何在健康和疾病中發(fā)揮作用的基本步驟?！?/p>
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