Cell | 庄小威组利用新技术实现全基因组三维结构与转录组同时观测

原创 BioArt BioArt

撰文 | 郑璞

基因组的三维结构（three-dimensionalgenome structure）影响到了DNA相关的各种细胞活动。每个人体细胞核里有约2米长的基因组DNA，这些DNA是如何有序地折叠成各种结构，以及这些结构对应的生物学功能一直以来是一个广受关注的问题。

基于高通量测序的染色质构象捕获技术（3C和Hi-C）已经发现以及详细讨论了染色体在不同层级上的结构，其中包括染色质环（loops）、拓扑结构域（TADs）以及活跃与失活的区室（A/Bcompartments）。这些不同层级上的结构也被证实是广泛存在于各种物种的各种细胞，并且对基因表达调控有各种影响。但是当Hi-C技术应用于单细胞时，受限于单细胞测序的效率，很难高通量地测得高分辨率的染色体结构。

荧光原位杂交技术（Fluorescent insitu hybridization, FISH）自上世纪70年代发明以来，长期被用于在细胞或组织切片中直接观测目标DNA或RNA。哈佛大学庄小威实验室在此之前已发表多篇基于荧光原位杂交技术的新技术，其中通过连续的DNA荧光原位杂交（sequential DNA FISH）在单细胞中标记了21号染色体的所有拓扑结构域（TADs）观察其如何形成活跃与失活的区室（A/B compartments）【1】，以及以30kb的分辨率下使用朝高分辨率显微镜观测了拓扑结构域（TADs）中的精细结构【2】。在其中通过连续的荧光原位杂交（sequential FISH）的基础上，通过给每个RNA设计标记的组合，Multiplexed error robust fluorescent in situ hybridization（MERFISH）技术实现了高效地同时检测多种RNA【3,4】。如何将现有的高分辨率染色体结构标记扩展至全染色体或全基因组，以及如何将高通量的RNA和DNA标记结合，在技术上需要进一步的突破。

2020年8月20日，庄小威实验室在Cell 以Resource形式发表题为“Genome-Scale Imaging of the 3D Organization and Transcriptional Activity of Chromatin”的论文，进一步扩展了染色质DNA三维结构观测的通量，并且同时在单细胞中实现了DNA、RNA和蛋白质的标记。

首先，这一技术通过连续标记50kb DNA片段，在21号染色体上标记了全部可标记片段，直接观测了21号染色体50kb分辨率全染色体结构。在此基础上，以5kb分辨率标记了84个转录起始位点（TSS）以及新生RNA（Nascent RNA）。通过这些数据，作者进一步分析了转录活性与活跃与失活的区室（A/B compartments）在三维空间分布的关系。

21号染色体作为最小的常染色体，可能有其特殊性。作者也使用了这一技术以250kb分辨率标记了2号染色体上接近1000个区域，在得到了完整的2号染色体结构的基础上，进一步分析了活跃与失活的区室（A/B compartments）在单细胞中是通过偏好的长程的活跃-活跃（A-A）相互作用以及短程的失活-失活（B-B）相互作用形成的。

接下来作者进一步借用MERFISH的思路，将散布在全基因组的1000个区域进行编码标记，实现了更高效的全基因组三维结构直接观测 (DNA-MERFISH)。通过这一策略将实验的时间大幅缩短，使得高通量的单细胞全细胞核三维结构直接观测成为可能。

在此基础上，DNA-MERFISH进一步结合了新生RNA（Nascent RNA）以及相关的细胞核内结构，核仁（nucleolus）和核斑（nuclear speckle）内的特征蛋白质，进一步刻画了转录水平与细胞核内环境的关系。

综合上述来看，这篇文章为研究染色质DNA三维结构提供了一个系统的解决方案。在需要高密度标记的高分辨率染色体结构的研究上，通过连续的荧光原位杂交技术实现了大量稳定的标记。在研究范围扩展到全基因组时，使用MERFISH类似的思路实现高效的标记。这一技术可以与各种RNA的荧光原位杂交，以及蛋白质的免疫荧光（IF）直接结合，为将来各种可能的应用场景提供了可能。本文同时作为一篇Resource文章，公开地提供了超过1万条21号染色体单细胞结构以及超过1万个细胞的全基因组结构（https://zenodo.org/record/3928890）以及详细的分析案例（https://github.com/ZhuangLab/Chromatin_Analysis_2020_cell）这也为整个领域的研究提供了丰富的资源。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.032

继续滑动看下一个