張鋒等人Cell發表空間基因組學最新成果

　　如果要觀察細胞，我們常常需要顯微鏡。現在，科學家已經開發出一種方法，可通過細胞自身的遺傳物質對細胞進行“拍攝”，進而生成獨特的可視化圖像。雖然當前該方法生成的圖像比傳統顯微鏡圖像要模糊，但這種方法或許可以幫助科學家們改進癌癥治療，并探索人類神經系統的形成過程等。

　　在今日發表于Cell雜志的重磅文章中，來自美國Broad研究所的三位科學家：Joshua A. Weinstein、Aviv Regev以及Feng Zhang（張鋒），對這種空間基因組學方法進行了描述。研究人員介紹，該方法名為“DNA顯微鏡”（DNA microscopy）。它無需專門的昂貴光學設備，僅使用樣本本身及相應試劑，就能使樣本作為化學反應的一部分提供自身的空間信息，幫助闡明細胞和組織內遺傳物質的空間組織結構。值得關注的是，該方法化學反應的產物可以直接通過DNA測序儀讀出。

圖：“DNA顯微鏡”收集數據的可視化圖像。來源：Joshua Weinstein/Broad Institute

　　據悉，該方法的工作原理是先將細胞培養中選定的RNA反轉錄為cDNA，然后利用獨特的核苷酸鏈（UMI）標記待研究的分子。這些標記會自我擴增，當它們擴增到與另一個cDNA標記接觸時，連接處就會產生一個獨特的核苷酸標簽（UEI）。這些連接標簽對于捕獲細胞的DNA圖像至關重要。如果兩個cDNA分子一開始便十分接近，那么它們的擴增拷貝就會頻繁地結合在一起，產生的標簽就會比兩個相距更遠的cDNA分子更多。也就是說，任何兩個cDNA越接近，它們產生的連接標簽就越多。最后，為了計算標簽的數量，研究人員將提取并分析細胞中DNA。然后，計算機算法可以推斷出DNA分子的原始位置，從而生成圖像。通過“DNA顯微鏡”，科學家可以繪制出任何與合成DNA標簽相互作用的分子群——細胞基因組、RNA和蛋白質。

　　Broad研究所博士后研究員Joshua A. Weinstein表示，這是一種全新的生物學可視化方式。從某種意義上說，最初的cDNA分子就像無線電發射塔一樣，以DNA分子的形式相互發送信息。研究人員可以檢測到一座“信號塔”與附近的另一座“信號塔”的通訊，并使用“信號塔”之間的傳輸模式來映射它們的位置。

　　為了驗證這項技術的有效性，研究人員在攜帶綠色或紅色蛋白質基因的細胞上進行了測試。雖然DNA microscopy方法獲得的圖像不如光學顯微鏡那么清晰，但它能夠區分帶有截然不同基因的紅色細胞和綠色細胞。此外，該方法還能捕獲細胞的排列。這種能力在分析來自人體器官的樣本時可能具有重要作用。但目前，該技術還不能揭示細胞內部的細節。

圖：傳統光學顯微鏡（左）和“DNA顯微鏡”（右）捕獲的一組細胞。來源：Joshua Weinstein/Broad Institute

　　“我們的目標不是取代光學顯微鏡，”Weinstein表示。但是“DNA顯微鏡”的確可以做一些光學顯微鏡做不到的事情。例如，光學顯微鏡往往無法區分具有不同DNA的細胞，如具有特定基因突變的腫瘤細胞或免疫細胞。因此，“DNA顯微鏡”可以通過識別能夠攻擊腫瘤的免疫細胞來幫助改善某些癌癥的治療。此外，隨著神經系統的發育，細胞通常會產生獨特的RNA來合成特殊的蛋白質，這項技術也可以幫助研究人員研究這類細胞。

　　目前，這項技術剛剛起步，其分辨率極限和靈敏度尚未量化，還需要進行更多實驗。此外，也有其他研究人員指出，這種通過測序獲得空間信息的方法可能要付出分辨率、靈敏度甚至通量的代價。但Weinstein表示，這項新技術可能會讓生物分析向前邁出一大步，尤其是在某些“特殊”的生物系統應用中，如免疫細胞圖譜或大腦，因為每一個生物樣本都是獨特且不可復制的。

　　作為空間基因組學的一項新方法，目前這一新興領域正得到全世界科研人員的關注。相關技術在腫瘤學、神經科學和免疫學等疾病領域中將有很廣泛的應用前景，而且有可能用于更廣范圍的生物學研究。目前，許多公司正在開發該領域的產品，包括10x Genomics、NanoString Technologies、Bruker、BioSpyder及Cartana等。

　　作者在論文中透露，他們已經申請了與該技術相關的ZL。2014年，張鋒和Weinstein在美國申請了“通過高通量測序繪制生物分子原位空間和細胞圖譜”（Spatial and cellular mapping of biomolecules in situ by high-throughput sequencing）的ZL。Weinstein坦言，他目前更關注的是傳播，而不是商業化，當前主要目標是探索重要的生物學領域。

圖：“DNA顯微鏡”相關ZL申請。來源：USPTO

　　參考資料：

　　1. DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction

　　2. Envisioning DNA as Photons, Broad Team Turns Sequencers Into Microscopes

　　3. Researchers use DNA to take pictures of cells

　　4. New Technique Maps RNAs in Cells Without a Microscope