Science：重大突破！染色质扩展显微镜技术可解开基因组秘密

开启或关闭基因的能力是我们在细胞、个体甚至在健康和疾病方面观察到的多样性的基础。这个过程被称为基因转录，涉及到将储存在我们的DNA中的信息转化为RNA。

在此之前，科学家们一直依靠不精确的图解和间接的实验来了解这一过程，因为它发生在分子水平上，并不直接可见。然而，在一项新的研究中，一种突破性的显微镜技术如今使得科学家们能够观察到遗传物质内以前不可见的分子过程，为了解基因如何被激活和调节提供了宝贵的见解。相关研究结果发表在2023年7月7日的Science期刊上，论文标题为“Chromatin expansion microscopy reveals nanoscale organization of transcription and chromatin”。

论文共同通讯作者、美国耶鲁大学医学院遗传学教授Antonio Giraldez博士研究了基因组中的DNA代码以及细胞如何解释这些代码以制造胚胎。理解这些过程的一个关键方面涉及我们对基因组进行可视化观察的能力。

不幸的是，传统的显微镜方法有局限性。为了克服这些限制，Giraldez和他的同事们，包括论文第一作者Mark Pownall，与耶鲁大学医学院细胞生物学教授Joerg Bewersdorf博士合作，开发了一种名为染色质扩展显微镜（chromatin expansion microscopy, ChromExM）的新技术。

在这篇论文中，他们利用这种技术成功地将斑马鱼胚胎细胞的细胞核体积增加了4000倍，从而极大地提高了图像分辨率。该技术使得科学家们首次观察到在胚胎发育过程中单个分子如何塑造细胞中的基因表达，并提出了一种关于基因如何受到调节的新模型。

Giraldez说，“我们的研究使我们能够观察到细胞核中的基本过程，这是生命中一切（从胚胎的形成到癌症）的基础。我们可以观察到我们以前只能想象的过程。”

Giraldez说，精子使卵子受精后，基因组最初是“沉默的”。受精卵必须转化为一种瞬时多能干细胞---一种可以产生许多不同类型细胞的细胞---才能发育成健康的胚胎。对这种细胞制造其他细胞的能力进行编程需要启动基因组。

多年来，Giraldez和他的团队一直在研究基因组如何被激活。他们已经取得了重大进展，从识别重要的参与者到了解哪些基因被激活。Giraldez说，“但是我们从来没有亲眼见过基因组的激活。描述事情可能发生的方式和实际见证事情发生的方式是有区别的。”

ChromExM帮助科学家们可视化观察基因组

在之前的研究工作中，Bewersdorf开发了一种名为pan-ExM的技术，该技术涉及将细胞固定在一种可膨胀的凝胶上，以便能够以前所未有的分辨率对细胞特征进行可视化观察。随着凝胶的膨胀，它将细胞和其中的蛋白拉开，同时保持它们的空间分布，直到细胞的体积扩大64倍。然后，用第二种凝胶，该团队重复了这个过程，使细胞的体积增长了4000倍。

在这项新的研究中，Giraldez和Bewersdorf实验室合作创建了ChromExM，并它其应用于胚胎，以便可视化观察基因如何受到调节。如今，每个细胞大约是一个胚胎的大小。Giraldez说，“我们使用了一种非常传统的工具，即共聚焦显微镜，当与ChromExM结合时，它使我们能够获得细胞分子机制的这种令人难以置信的分辨率。即使是最强大的显微镜也无法对此进行可视化观察。”

他解释说，这个过程就像玩具蛋放在水里时膨胀成恐龙一样。当玩具蛋第一次被投入玻璃器皿中时，恐龙的特征还不明显。但随着玩具蛋的长大，它从无定形的东西转变为具有详细特征的恐龙。Giraldez说，“那只恐龙可能已经长大了两到三倍。现在想象一下，这种增长的规模是4000倍。”

图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.ade5308。

通过ChromExM，该团队能够首次看到基因组的基本运作过程。这使他们能够开发出一种关于基因如何受到调控的新模型，他们将它命名为“亲吻-踢打（kiss-and-kick）”，以描述DNA中称为增强子的调控区域如何与基因的起始部分（启动子）相互作用以触发基因的表达，以及转录起始后随后如何分离基因的调控区域以暂停基因表达。

Giraldez说，“这就像从二十世纪八十年代的像素化黑白手机屏幕到今天的超高清彩色大屏幕。我们的技术使我们能够看到以前不可能的细节。”

有了这种新方法，该团队期待着研究直到最近还无法测试的假设。例如，除了观察到基本的分子过程，他们还希望探索不同的基因是如何开启或关闭的，它们在细胞核中相对于其他基因的位置如何，以及突变如何影响基因位置。

此外，虽然其他显微镜技术可能过于昂贵，但ChromExM对大多数实验室来说是可以使用的。Giraldez说，“我们的研究将使一种观察分子过程如何在细胞核内发生的方法大众化，这将开辟新的研究领域。”

该团队如今希望能进一步提高这种技术的分辨率。虽然他们如今能够直观地观察到与基因组相互作用的分子，但他们仍然无法识别单个基因。Giraldez解释说，“想象一下，你在太空中拍了一张纽约市的照片。以前你只能看到岛，但现在你可以看到城里的人。但我们仍然不知道这些人是谁。如果你把这些人看作是我们想要看到的基因，那么我们接下来想要一种能让我们关注单个人的相机。这一细节将使科学家们了解基因如何开启和关闭、断裂或修复的基本原理，以及突变如何影响其功能---所有这些都是了解我们的基因如何在健康和疾病中发挥作用的基本步骤。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Mark E. Pownall et al. Chromatin expansion microscopy reveals nanoscale organization of transcription and chromatin. Science, 2023, doi:10.1126/science.ade5308.

2. Supersize the cell: Unlocking genome secrets through expansion microscopy
https://phys.org/news/2023-07-supersize-cell-genome-secrets-expansion.html