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标有彩色条形码的基因可为单个细胞提供精确即时的快照

突破性的新技术使科学家能够在单个细胞内同时成像10,421个基因。这项工作是在生物学研究教授龙才的实验室和天桥的附属教员以及加州理工学院的Chrissy Chen神经科学研究所完成的。一篇描述该研究的论文发表在6月7日的“细胞”杂志上。

标有彩色条形码的基因可为单个细胞提供精确即时的快照

这项被称为内含子seqFISH(序贯荧光原位杂交)的新技术是能够同时识别数百种不同细胞中基因组中发生的事情的重大进展。以前,研究人员只能用显微镜在细胞中一次成像四到五个基因。这项工作建立在Cai实验室的先前研究成果之上,包括2014年的早期版seqFISH和2017年的研究,在显微镜下分析了超过10,000个基因。将seqFISH扩展至基因组水平现在可以成像超过10,000个基因 - 约占哺乳动物基因总数的一半 - 在单个细胞内。

为了将遗传指令转化为实际功能蛋白质,必须首先发生称为转录的过程。这个过程经常发生在脉冲或“爆发”中。首先,将基因读取并复制到前体信使RNA或前mRNA中,就像记录快速粗略的草稿一样。然后该分子成熟为信使RNA或mRNA,类似于编辑草稿。在“编辑”过程中,称为内含子的某些区域从前mRNA切除。

该团队选择专注于标记内含子,因为它们是在转录过程中如此早期产生的,从而可以了解细胞在基因表达的精确时刻所做的事情。

使用新开发的内含子seqFISH技术,每个内含子都标有独特的荧光条形码,可以用显微镜观察。看到内含子揭示了哪些基因目前在个体细胞中被打开,它们的表达强度以及它们的位置。10,421个内含子 - 因此10,421个基因 - 可以一次成像。

以前开发条形码技术的工作主要集中在标记mRNA本身,提供基因表达随着mRNA发展而在几个小时内发生变化的测量。通过观察内含子,研究人员首次研究了所谓的新生转录组 - 新合成的基因表达。这导致他们发现基因的转录在许多基因上全球振荡,Cai称之为“惊人的短”时间尺度 - 仅约两小时 - 与细胞分裂和复制自身所需的时间相比,这需要12到24小时。这意味着在两个小时的过程中,细胞内的许多基因会爆发和断裂。

以前没有观察到振荡现象的原因有几个。首先,因为这些两小时的振荡在不同的小区之间不同步,所以通过需要许多小区的方法来平均波动。其次,seqFISH方法的高精度使研究人员能够确定他们观察到的是真实的生物波动,而不是技术噪声。最后,当测量mRNA而不是内含子时,这两个小时的振荡是模糊的,因为mRNA分子在哺乳动物细胞中具有更长的寿命,3到4小时。

此外,由于内含子位于基因物理位置的位置,荧光成像内含子使研究人员能够可视化基因位于染色体内的位置,即DNA在细胞核内折叠的大结构。在这项工作中,该团队惊讶地发现,大多数活跃的蛋白质编码基因位于染色体表面,而不是埋藏在其内部。

“这种技术可以应用于任何组织,”Cai说,他是人类细胞图谱的合作者,该项目旨在定义人体中的所有细胞类型。“除了让我们了解相同细胞中的染色体结构外,内含子seqFISH还可以帮助鉴定细胞类型以及细胞将要做什么。”

该论文的标题是“通过内含子seqFISH在单细胞中新生转录组的动力学和空间基因组学”。

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