傳統(tǒng)上，科學(xué)家們使用光、X射線和電子來觀察組織和細(xì)胞的內(nèi)部。如今，科學(xué)家們能夠在整個(gè)大腦中追蹤線狀的神經(jīng)纖維，甚至可以觀察活的小鼠胚胎如何產(chǎn)生原始心臟中的跳動(dòng)細(xì)胞。但是這些顯微鏡無法看到的是：細(xì)胞在基因組水平上發(fā)生了什么。

顯微鏡再次被改造！

細(xì)胞和組織中分子的空間結(jié)構(gòu)分析是生物學(xué)研究和臨床實(shí)踐的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)上，研究人員會(huì)使用光學(xué)顯微鏡、X射線或電子顯微鏡來觀察，而且這些技術(shù)還可以在整個(gè)大腦中追蹤類似線狀的神經(jīng)纖維，甚至可以觀察活體小鼠胚胎產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)心跳的細(xì)胞。

但有一件事是上述顯微技術(shù)無法捕捉到的，即細(xì)胞在基因組水平上發(fā)生了什么。

近日，來自美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的生物物理學(xué)家Joshua Weinstein、計(jì)算生物學(xué)家Aviv Regev，以及2018年入選HHMI的新研究員、分子生物學(xué)家張鋒發(fā)明了一種非傳統(tǒng)的成像方法，稱為“DNA顯微鏡”。它可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)使用DNA標(biāo)簽來幫助確定樣本中分子的相對(duì)位置，而不是依賴于光或任何一種光學(xué)儀器。這項(xiàng)新技術(shù)未來可以讓科學(xué)家們加快免疫療法的發(fā)展，幫助患者的免疫系統(tǒng)與癌癥作斗爭(zhēng)。該研究近日已發(fā)表在《Cell》上。

圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.05.019。

Weinstein說，通過使用DNA顯微鏡，這些研究人員能夠構(gòu)建細(xì)胞圖像，同時(shí)獲得大量的基因組信息。“這為我們提供了另一層我們無法觀察到的生物學(xué)。”Regev說，“這是一種全新的顯微鏡類別。這不僅僅是一種新技術(shù)，而是一種我們以前從未考慮過要做的事情。

使用DNA顯微鏡（下圖），科學(xué)家們可以準(zhǔn)確地重建用熒光顯微鏡捕獲的細(xì)胞圖像（上圖）。圖片來源：Cell

到目前為止，顯微技術(shù)主要分為兩大類。一種是基于光學(xué)。光學(xué)顯微鏡可以追溯到17世紀(jì)，它依靠可見光來照射樣本。電子顯微鏡、熒光顯微鏡、薄層顯微鏡等，都是基于樣品發(fā)射光子或電子的原理。

第二種是基于由顯微鏡定義位置的解剖樣本。然后，計(jì)算機(jī)程序?qū)⒚總€(gè)解剖的片段拼接成完整樣本的圖片。光學(xué)成像可以提供亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和作用的復(fù)雜圖像。基于解剖的顯微鏡可以為科學(xué)家提供遺傳信息。

Weinstein和他在麻省理工學(xué)院的同事們想要?jiǎng)?chuàng)造一種一勞永逸的方法，即拍攝細(xì)胞位置的快照，并拼出驅(qū)動(dòng)它的特定基因序列。

這對(duì)研究遺傳多樣性細(xì)胞的科學(xué)家來說非常重要。Weinstein說：”免疫系統(tǒng)就是一個(gè)完美的例子。免疫細(xì)胞基因可以變化為單個(gè)DNA字母，每種變異都可以引發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生的抗體類型發(fā)生顯著變化。當(dāng)細(xì)胞位于組織內(nèi)時(shí)，也可以改變抗體的產(chǎn)生。如果你只關(guān)注其中一個(gè)，那么你只看到了部分畫面。”

Regev說，捕捉如此完整的細(xì)胞圖像并不需要昂貴的顯微鏡或其他昂貴的設(shè)備。你只需要一個(gè)樣本和一個(gè)移液器。

在這張來自DNA顯微鏡的散點(diǎn)圖數(shù)據(jù)中，科學(xué)家們使用一種算法來確定分子的相對(duì)位置(根據(jù)分子基因序列分類的色點(diǎn))。資料來源：J. Weinstein

在這項(xiàng)研究中，首先，科學(xué)家們將實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的細(xì)胞固定在反應(yīng)器中，然后把這些分子粘附在RNA分子上，并給每個(gè)分子一個(gè)獨(dú)特的標(biāo)簽。接下來，該團(tuán)隊(duì)使用化學(xué)反應(yīng)對(duì)每個(gè)標(biāo)記的分子進(jìn)行復(fù)制，制造出越來越多的副本，形成了從每個(gè)分子的原始位置擴(kuò)展出來的生長(zhǎng)堆。

圖片來源：Cell

Weinstein說：“把每一個(gè)分子想象成一個(gè)向外發(fā)射自己信號(hào)的無線電發(fā)射塔。”

最終，被標(biāo)記的分子與其他被標(biāo)記的分子發(fā)生碰撞，迫使它們成對(duì)地連接在一起。彼此靠近的分子更容易發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更多的DNA對(duì)。離得越遠(yuǎn)的分子生成的對(duì)就越少。

DNA測(cè)序儀會(huì)拼出樣品中每個(gè)分子的字母，但這需要長(zhǎng)達(dá)30個(gè)小時(shí)。于是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種算法以解碼數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像。

Weinstein說：“你基本上能重建你在光學(xué)顯微鏡下看到的東西。這兩種方法是互補(bǔ)的。即使分子在樣本中是稀疏的，光學(xué)顯微鏡也能很好地觀察它們，而當(dāng)分子致密，甚至彼此堆積時(shí)，DNA顯微鏡就會(huì)表現(xiàn)得更好。”

通過DNA顯微鏡提供樣品中細(xì)胞群數(shù)據(jù)的可視化。圖片來源:Weinstein等/Cell

科學(xué)家們認(rèn)為，DNA顯微鏡有一天可以讓科學(xué)家們加快免疫療法的發(fā)展，幫助患者的免疫系統(tǒng)與癌癥作斗爭(zhēng)。

張鋒說：“每個(gè)細(xì)胞都有一個(gè)獨(dú)特的DNA字母或基因型組成。通過直接從正在被研究的分子中捕獲信息，DNA顯微鏡開辟了一條將基因型與表型聯(lián)系起來的新途徑。”

Regev補(bǔ)充說：“這種顯微鏡的可能性是非常大的。我們希望它能激發(fā)人們的想象力，從我們從未想過的偉大想法中得到啟發(fā)。”