人類基因組是一部由30億個(gè)堿基對(duì)排列組合而成的“天書”，里面有我們的“自傳”，更蘊(yùn)含著生命延續(xù)進(jìn)化的密碼。想要破解人類基因組“天書&rdqu
人類基因組是一部由30億個(gè)堿基對(duì)排列組合而成的“天書”，里面有我們的“自傳”，更蘊(yùn)含著生命延續(xù)進(jìn)化的密碼。想要破解人類基因組“天書”，首先得看清楚，它們?cè)谀膬海恐g有何關(guān)聯(lián)？深圳大學(xué)的研究人員日前發(fā)布重大科研成果：通過(guò)自主搭建的光學(xué)超分辨率平臺(tái)，首次為長(zhǎng)度僅為2500堿基對(duì)的DNA序列，拍攝3D立體照片。這是迄今為止，用光學(xué)顯微鏡所能看到的最短特異基因組序列。未來(lái)科學(xué)家可以繼續(xù)給不同基因組位點(diǎn)拍照，并一一靶向定位，用來(lái)觀察其相互之間的互動(dòng)模式，以此實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞尚未發(fā)生病變時(shí)，就能判斷其是否具備癌變可能。
自主搭建光學(xué)顯微鏡
6月28日上午，深圳大學(xué)在光電工程學(xué)院召開(kāi)發(fā)布會(huì)，公布近期取得的重要科研成果。深圳大學(xué)的研究人員聯(lián)合清華大學(xué)、哲源科技、香港大學(xué)、檸檬數(shù)據(jù)、德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員，在自主搭建的三維隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡(3D-STORM)平臺(tái)上，擴(kuò)展了一種基于統(tǒng)計(jì)光學(xué)成像的診斷工具，用來(lái)原位捕獲人基因組中特定非重復(fù)的短片段，獲得了在復(fù)雜細(xì)胞核環(huán)境背景下、長(zhǎng)度僅為2500堿基對(duì)的DNA序列的3D超分辨圖像。
目前，深大研究團(tuán)隊(duì)由五位“三字頭”(年齡均為30多歲)博士組成，共同第一作者牛鋼博士解釋說(shuō)，光學(xué)顯微鏡追求的效果是，觀察到的基因序列越短，越能看到最本質(zhì)的東西。如果能將2500堿基對(duì)，縮小至幾個(gè)堿基的話，圖像的分辨率就達(dá)到了最佳效果，未來(lái)團(tuán)隊(duì)將致力于實(shí)現(xiàn)100堿基的3D成像。
人類重大復(fù)雜疾病可及早發(fā)現(xiàn)
成果作者代表曹博是團(tuán)隊(duì)中的“基因攝像師”，在光學(xué)顯微鏡下觀察細(xì)胞圖像并進(jìn)行拍攝，每天需要工作十幾個(gè)小時(shí)，卻只能完成二三十個(gè)細(xì)胞的3D照片。曹博說(shuō)，研究成果將與A I人工智能結(jié)合，用人類經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)電腦自動(dòng)學(xué)習(xí)細(xì)胞特征，完成科學(xué)家的指令，“我們初步算下來(lái)，人工智能輔助系統(tǒng)一天可拍攝幾百個(gè)細(xì)胞。機(jī)器在人類監(jiān)督下進(jìn)行自我學(xué)習(xí)、升級(jí)認(rèn)知水平，最終達(dá)到自動(dòng)識(shí)別、監(jiān)視、捕獲每一個(gè)細(xì)胞中不同標(biāo)靶的日常行為。”
除了建設(shè)超分辨率光學(xué)顯微鏡，深大研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了X射線相稱顯微技術(shù)，以及基于識(shí)別化學(xué)光譜的卡斯光譜顯微成像技術(shù)。通過(guò)多種技術(shù)平臺(tái)的組合應(yīng)用，研究者在未來(lái)不僅可以將活體軟組織內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，在三維空間中立體展示，同時(shí)也能直接看到最小的分子，明白其化學(xué)結(jié)構(gòu)。牛鋼認(rèn)為，上述技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于民眾最直接的好處是，人類的重大復(fù)雜疾病可及早發(fā)現(xiàn)，比如肝癌的早期患者在利用現(xiàn)代光學(xué)成像之后，可以及早發(fā)現(xiàn)肝內(nèi)細(xì)微結(jié)構(gòu)與肝細(xì)胞的異常情況。據(jù)此情報(bào)，醫(yī)生可以提前介入治療，挽救生命。這無(wú)論是對(duì)于醫(yī)療方式的升級(jí)換代，還是生命科學(xué)的基礎(chǔ)研究，都實(shí)現(xiàn)了1.0到2.0的飛躍。
揭秘
打開(kāi)細(xì)胞核中存放基因的“黑匣子”
想要破解人類DNA“天書”，除了用眼睛直接看清楚“文字”，還要明確它們?cè)谖闹兴幬恢茫舜酥g有何關(guān)聯(lián)。牛鋼說(shuō)，在活細(xì)胞核中，基因之間的位置信息非常重要，關(guān)乎細(xì)胞變異與疾病的早期診斷、預(yù)防。在這項(xiàng)技術(shù)誕生前，細(xì)胞核中的基因就像存在于黑匣子中，借著微弱的光亮，人們得以依稀看到其模糊的圖像。
在細(xì)胞核中精確標(biāo)記基因
研究人員更是只能從宏觀上觀察細(xì)胞形態(tài)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部更細(xì)微的功能和機(jī)構(gòu)是否發(fā)生變化，以及如何發(fā)生變化，都無(wú)從知曉。通過(guò)深大團(tuán)隊(duì)提出的這種新方法，科學(xué)家可以精確地在細(xì)胞核中標(biāo)記基因。如果它們彼此之間發(fā)生了不該發(fā)生的關(guān)系，或者進(jìn)行了過(guò)于激烈的相互作用，很可能就會(huì)導(dǎo)致基因組的某部分產(chǎn)生變異，并最終驅(qū)動(dòng)這個(gè)單細(xì)胞變成了腫瘤細(xì)胞。
牛鋼把這些逃逸了免疫系統(tǒng)監(jiān)控，并且惡性增長(zhǎng)的腫瘤細(xì)胞疾病比喻成犯罪嫌疑人。首先一一將其靶向定位，然后進(jìn)行追蹤，“一旦它們聚在一起，就知道這是癌變的最早期特征。也就是說(shuō)，當(dāng)細(xì)胞還沒(méi)發(fā)生變異，是正常細(xì)胞的時(shí)候，我們已經(jīng)提前發(fā)覺(jué)，它產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)性了。”目前在腫瘤細(xì)胞檢測(cè)時(shí)，臨床通常采用生物學(xué)中的統(tǒng)計(jì)性測(cè)量方法，每次提取十的五到六次方個(gè)細(xì)胞進(jìn)行DNA測(cè)序。上述測(cè)量方式的弊端是，導(dǎo)致單細(xì)胞的獨(dú)特信息洇滅在海量信息中，“就好像一個(gè)犯罪分子隱藏在一百萬(wàn)個(gè)人里，你提取的是萬(wàn)人信息，就無(wú)法找到這個(gè)犯罪分子的信息。”
腫瘤細(xì)胞測(cè)序成本降至數(shù)百元
通過(guò)采用分子信標(biāo)(MB)探針的這一新方法(MB-FISH )，能夠基于納米分辨條件，精確展現(xiàn)目標(biāo)DNA小片段，在細(xì)胞核內(nèi)三維空間的分布。這種能力就類似于，在擁擠的超過(guò)一百萬(wàn)人的超級(jí)候機(jī)樓，精確識(shí)別出想要找的那個(gè)人。“腫瘤細(xì)胞每個(gè)都不一樣，液體活檢時(shí)，如果把一個(gè)一個(gè)細(xì)胞單獨(dú)拿來(lái)測(cè)序，成本非常高，花費(fèi)百萬(wàn)元。”但若使用光學(xué)顯微鏡的平臺(tái)去精確呈現(xiàn)細(xì)胞，個(gè)人診斷的成本降至數(shù)百元，而得到疾病細(xì)胞的信息量卻是非常巨大。
團(tuán)隊(duì)希望，未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)控多個(gè)腫瘤細(xì)胞。就如同C IA執(zhí)行針對(duì)恐怖分子的作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，使用無(wú)人機(jī)觀察目標(biāo)。當(dāng)恐怖分子從用來(lái)隱藏的建筑物中現(xiàn)身，技術(shù)人員在電腦系統(tǒng)中對(duì)其一一標(biāo)記，標(biāo)記會(huì)始終跟隨每一個(gè)人，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的標(biāo)記。科學(xué)家通過(guò)光學(xué)顯微鏡，給不同基因拍照，并一一靶向定位，用來(lái)觀察其相互之間的互動(dòng)模式，以此實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞尚未發(fā)生病變時(shí)，就能判斷其是否具備癌變可能。
背景
創(chuàng)新先進(jìn)光學(xué)方法
在生命科學(xué)中的應(yīng)用
該研究團(tuán)隊(duì)由深圳大學(xué)牛憨笨院士率領(lǐng)，他曾表示，要提供解決根本問(wèn)題的手段，來(lái)研究生命現(xiàn)象，研究者需要理解研究方法和對(duì)象的物理本質(zhì)。近二十年來(lái)，牛憨笨院士不但致力于先進(jìn)光學(xué)方法的創(chuàng)新，同時(shí)積極推動(dòng)先進(jìn)光學(xué)方法在生命科學(xué)中的應(yīng)用。令人遺憾的是，牛憨笨院士于2016年7月因病逝世。
據(jù)來(lái)自清華大學(xué)和德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的共同通訊作者張奇?zhèn)ソ淌诮榻B，熒光原位雜交(FISH)是用于發(fā)現(xiàn)基因或染色體異常的分子診斷技術(shù)，首先在20世紀(jì)80年代初開(kāi)發(fā)，包括使用結(jié)合染色體特定部位的熒光探針來(lái)檢測(cè)特定DNA序列是否存在。但是傳統(tǒng)的FISH方法受限于各種因素(包括標(biāo)記能力和光學(xué)分辨率)，難以獲得基因組中特定短片段的清晰微觀圖像。
直到2015年，哈佛大學(xué)WuChao-ting教授和莊小威教授實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合建立了寡核苷酸探針FISH(Oligopaint-FISH)與STORM相結(jié)合的新方法，能夠?qū)ψ疃虨?900堿基的非重復(fù)基因組區(qū)域進(jìn)行超分辨率成像。深圳大學(xué)此次發(fā)表于eLife上的這項(xiàng)研究成果，則進(jìn)一步推動(dòng)了FISH技術(shù)捕獲基因組特定短片段的能力，不僅將拍攝到的基因序列縮短了一倍，更將成像效果從2D升級(jí)為3D。
出品：南方都市報(bào)科學(xué)新聞工作室
主持：陳養(yǎng)凱采寫：南都記者朱倩
