前沿 | 深大等机构学者取得光学重建显微镜三维基因组应用新进展
► 3d-storm捕获的人基因组中特定非重复的短片段，图片来自elife
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近日，深圳大学的研究人员联合清华大学、哲源科技、香港大学、柠檬数据、德州大学达拉斯分校的研究人员，在自主搭建的三维随机光学重建显微镜（3d-storm）平台上，扩展了一种基于统计光学成像的诊断工具，用来原位捕获人基因组中特定非重复的短片段，获得了在复杂细胞核环境背景下、长度仅为2500碱基的dna序列的3d超分辨图像。
该研究是迄今为止在细胞核中直接观察到的最短特异dna序列的图像，相关工作最近发表于国际高水平开放杂志elife上。
论文通讯作者之一、深圳大学牛憨笨院士曾表示，要提供解决根本问题的手段，来研究生命现象，研究者需要理解研究方法和对象的物理本质。近二十年来，牛憨笨院士不但致力于先进光学方法的创新，同时积极推动先进光学方法在生命科学中的应用。令人遗憾的是，牛憨笨院士于2016年7月因病逝世。
荧光原位杂交（fish）是用于发现基因或染色体异常的分子诊断技术。首先在20世纪80年代初开发，它包括使用结合染色体特定部位的荧光探针来检测特定dna序列是否存在。此次发表于elife上的这项工作，推动了fish技术捕获基因组特定短片段的能力。采用了分子信标（mb）探针的这一新方法（mb-fish）能够在纳米分辨条件下展现目标dna小片段在细胞核内三维空间的分布；这种能力类似于在拥挤的超过一百万人的大厅中精确识别出想要找的那个人。
来自清华大学和德州大学达拉斯分校的共同通讯作者张奇伟教授说，“传统的fish方法受限于各种因素（包括标记能力和光学分辨率）而难以获得基因组中特定短片段的清晰微观图像。”
2015年，哈佛大学wu chao-ting教授和庄小威教授实验室联合建立了寡核苷酸探针fish（oligopaint-fish）与storm相结合的新方法，能够对最短为4900碱基的非重复基因组区域进行超分辨率成像。
“虽然这种技术在染色质结构域精细组织方式研究很有前景，但我们希望能够发展一种新方法: 不但进一步提高基因组序列分辨率，重要的是，避免繁琐的探针制备过程对实际应用的限制。通过这种新方法，我们将精确地靶向基因增强子和启动子，使其相互作用，原位可视化，同时可用来检测癌症和其他疾病中单细胞内特定dna小片段及其之间相互作用的变化。”张奇伟教授说。
为了开发该方法，来自深圳大学的第一作者兼共同通讯作者倪燕翔博士首次把mb概念应用于基因组特异靶序列的标记上。mb的设计其实已存在多年并广泛应用：它通过形成发夹结构、淬灭未结合或脱靶探针的荧光团，从而大大减少非特异探针的荧光。但是，对特定双链dna序列的某一单链进行标记实际上非常困难。
然而“实验效果要好于我的预期，”倪博士说，“mb设计不仅显著降低了未结合和脱靶探针的荧光，而且有效减少探针与基因组其它区域的非特异性结合”。
倪博士补充道：“目前的阶段性进展虽然突显了我们在单细胞纳米分辨尺度上原位成像人类和小鼠基因组中特异短序列的能力，但要完成牛老师制定的目标，我们还需要下一阶段的挑战性工作。相信在这个升级之后的系统上，我们团队建立的方法在接下来研究人类正常和疾病（比如癌症）细胞中3d基因组结构功能方面，将释放更大的潜力。”
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ni et al. super-resolution imaging of a 2.5 kb nonrepetitive dna in situ in the nuclear genome using molecular beacon probes. elife 2017;6:e21660. doi: 10.7554/elife.21660.
制版编辑：常春藤
