点亮细胞里的“万”家灯火 | Nature and You

撰文 | Lorinda Dajose

编译 | 丁霄哲 Chee-Huat Linus Eng

编辑 | 陈欣泓石悦琳

摘要

加州理工学院的科学家开发了一种以超高分辨率观察细胞的基因组表达状态的新技术——SeqFISH+。使用这种技术在观察细胞时，不仅可以精确测量单个细胞的全转录组，而且可以完好地保存细胞在组织中的位置信息。这项工作将帮助科学家们更好地理解胚胎发育等许多基本的生物程序和癌症等疾病的分子原理。

图中每个小点代表通过SeqFISH+识别出来的单个mRNA分子。在这个细胞中，识别出了47,000个mRNA分子（分属于约一万个基因）。

身体中的大多数细胞含有完全相同的基因组，而这套基因组组成整个生物体的基因蓝图。但并非所有细胞的外观和行为都相同——这是因为不同的细胞可以打开或关闭不同的基因，这个过程称为基因表达。例如，神经元表达的基因与皮肤细胞表达的基因不同。

要了解哪些基因被打开以及打开的强度，科学家们可以查看细胞中所含的信使RNA (mRNA)。它们就像一个个指示灯，显示了一个基因是否处于打开的状态。一个细胞中所有的mRNA分子统称为转录组。转录组就像一个铺满了亮暗不一的指示灯的巨大面板，刻画了一个细胞在给定时间所有基因的表达情况。通过过去几年的发展，目前已经有相当成熟的技术（单细胞RNA测序技术）来测量单个细胞的转录组，这项重要的技术为科学家们了解单个细胞的功能提供了极大的助力。

虽然了解单个细胞的基因表达情况（转录组）已经是十分有用的信息，但对于生物系统的研究来说，了解其他细胞如何与其相邻并相互作用也很重要。例如，位于癌细胞旁边的细胞就会与身体其他部位的普通细胞接收不同的化学信号，并且因此表现得不同。在发育生物学、神经科学、免疫学、微生物学等其他学科的研究中也都有类似的对位置信息的需求。这种情况下，就不仅需要知道每个细胞的转录组，还需要同时保持它们相对于彼此的位置或空间完整性。

加州理工学院陈天桥雒芊芊神经科学研究所蔡隆(Cai Long)教授的实验室开发了一种技术，实现了这一目标。这种称为SeqFISH+的技术不仅可以在不损失位置信息的情况下解析组织中每个细胞的转录组，并且具有高精度和全基因组规模的覆盖率。

“我们开发了一个不需要依赖其他技术手段就可以直接在原位(in situ)对细胞转录组进行研究的工具。”该研究的第一作者、博士生Chee-Huat Linus Eng说。 “这十分令人兴奋。过去类似的原位成像方法(如MERFISH, STARMAP)都不能做到‘独立地’对全转录组进行观察——这些技术都依赖于其它需要分离细胞的技术(如单细胞RNA测序技术)中获得的全转录组信息。但通过SeqFISH+，即使不提供关于一个生物组织的任何先验知识，也可以直接描绘出整个生物组织中每个细胞是什么类型，以及与它们相邻的细胞又有怎样的特异性基因表达。“

可是，一个小小的细胞中密密麻麻地布满了上万个mRNA分子，怎么样才能看清其中每一个分子呢？

要理解这项新技术的原理，可以先想象一个场景。假设地球上的每个人都有一个发光的灯塔，而你站在太空远望地球。这时，你就遇到了观察细胞中所有mRNA分子时类似的问题——你很难区分地球上那些站得很近的人，因为他们的灯塔会模糊成一个光点。但是，如果在每个时刻只允许一小部分人打开灯，那他们的平均距离就会很远，而你也就能看得清楚许多。因此，一个巧妙的“看清”所有人的办法是，你用一个相机拍一系列照片——每次拍照时，只有一小部分人可以开灯，拍完后他们就把灯熄灭，然后换一批人开灯。最后，把这些分批拍出来的照片汇总起来，就可以更清晰地显示地球的全貌和人们在其上的位置。

相同的原理也使得蔡隆实验室开发的这个名叫seqFISH+（顺序荧光原位杂交+）可以看清整个转录组的上万个基因。SeqFISH+使用附着于荧光化合物的独特“条形码”来标记细胞中的每个mRNA，并对同一组细胞进行许多轮次的成像。在每一轮的成像过程中，都会有不同的条形码被照亮，这不仅解决了相邻mRNA分子信号互相干扰的问题，同时还可以在使用有限的荧光色调的情况下识别出数以万计的独特mRNA分子。这些很多轮次的图像可以组合在一起，就产生了一个“超分辨率”的图像。

在每轮杂交中，只有一部分mRNA分子会被“点亮”。通过使用三个荧光通道、20轮的成像（总共60种伪色），Linus与同事可以“看清”细胞中的10000个基因的mRNA分子，并通过它们的条形码识别出每个分子的身份。（图片来源：论文原文）

现有的RNA原位成像方法都不能覆盖全转录组，因此要求研究人员已经了解他们需要哪些“特征基因”，才能知道每个细胞属于哪种细胞类型。而相比之下，由于seqFISH+覆盖整个转录组的能力，它可用于观察几乎任何类型的组织类型——从复杂的神经元网到癌性肿瘤——而无需预先选择观察哪些基因。通过SeqFISH+，科学家们不仅可以拍摄细胞组织形态的高分辨率图像，还可从这些图像中进行新发现，找到以前不曾了解的细胞类型和空间微结构。

该论文的标题是”Transcriptome-scale super-resolved imaging in tissues by RNA seqFISH+.（RNA SeqFISH+ 在组织中的转录组规模的超分辨成像）”，在3月25日出版的《自然》杂志上发表。

感谢论文第一作者Chee-Huat Linus Eng同学在编译过程中的指导和建议！

参考文献

1.. Caltech 新闻稿原稿(作者Lorinda Dajose): https://www.google.com/search?q=Lorinda+Dajose+long+cai+seqfish%2B&nfpr=1&sa=X&ved=0ahUKEwjJwojE_PDhAhWREHwKHUQMCbEQvgUILCgB&biw=2117&bih=1053

2. 论文原文：Eng, C. L., Lawson, M., Zhu, Q., Dries, R., Koulena, N., Takei, Y., … Cai, L. (2019). Transcriptome-scale super-resolved imaging in tissues by RNA seqFISH+. Nature, 568(7751), 235–239. http://doi.org/10.1038/s41586-019-1049-y

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