顯微鏡是人類歷史上的偉大發(fā)明之一，在整個(gè)顯微鏡的發(fā)展史上有兩次重大突破，分別是光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的發(fā)明。
現(xiàn)在，顯微技術(shù)領(lǐng)域可能正迎來(lái)第三次革命——“DNA 顯微鏡”問世！
2019 年 6 月 20 日，CRISPR 基因編輯重要貢獻(xiàn)者張鋒教授及其霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的同事，在 Cell 雜志發(fā)表重磅成果，他們開發(fā)出一種全新的 “DNA 顯微鏡”，可以建立細(xì)胞的圖像，同時(shí)收集大量的基因組信息。
人類顯微視角進(jìn)入新疆域
基于光學(xué)的顯微鏡，可以追溯到17 世紀(jì)，它打開了人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)。光學(xué)顯微鏡主要依靠可見光照射樣本，通過一組透鏡組合來(lái)放大物品。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)顯微鏡的發(fā)明是一項(xiàng)革命性的技術(shù)突破，令我們認(rèn)識(shí)到生命體的基本單位為細(xì)胞，同時(shí)大大助力人類對(duì)疾病的認(rèn)知與防治，比如青霉素的發(fā)現(xiàn)。
之后科學(xué)家們又對(duì)光學(xué)顯微方法進(jìn)行了反復(fù)升級(jí)，甚至超越了可見光譜。
1913 年恩斯特·魯斯發(fā)明的電子顯微鏡，更是將顯示水平拉到原子級(jí)別。它讓研究人員可以在原子水平去了解生理學(xué)過程及單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)。
如今，科學(xué)家已經(jīng)可以使用光、x 射線和電子來(lái)觀察組織和細(xì)胞內(nèi)部。
大家熟悉的電子顯微鏡、熒光顯微鏡、薄層顯微鏡，它們都是基于探測(cè)樣品發(fā)射光子或電子的原理進(jìn)行觀測(cè)的。通過這類顯微鏡，科學(xué)家們可以追蹤大腦中類似絲狀的神經(jīng)纖維，甚至可以觀察活的老鼠胚胎如何產(chǎn)生原始心臟的跳動(dòng)細(xì)胞。
然而，這些顯微鏡都無(wú)法看到在基因組水平的細(xì)胞中發(fā)生了什么。
為了對(duì)核酸水平進(jìn)行直接觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)室及臨床中大多依賴分子探針技術(shù)，即將與待觀察核酸互補(bǔ)的堿基對(duì)導(dǎo)入細(xì)胞中，利用堿基互補(bǔ)配對(duì)原則標(biāo)記待測(cè)核酸，再通過熒光等其他顯色物質(zhì)來(lái)顯示待測(cè)核酸。這種間接方法雖能令研究者觀測(cè)核酸，但其標(biāo)本制備過程繁瑣，耗時(shí)耗力。
而此次張鋒教授研發(fā)的DNA 顯微技術(shù)，通過獨(dú)特的成像模式，采用特殊的成像原理，可將物理圖像編碼 DNA，先利用標(biāo)記核酸的”堆疊“編碼每一種核酸，再采用數(shù)據(jù)分析”投射“其物理圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因組的直接觀測(cè)。
圖 | DNA 顯微技術(shù)顯像原理
最新的DNA 顯微技術(shù)顯像原理與我們想象中的可能不同，并不是直接對(duì) DNA 鏈進(jìn)行顯示。這是由于 DNA 中的每個(gè)堿基分子在每個(gè)細(xì)胞內(nèi)存在的數(shù)量十分微小，哪怕我們直接標(biāo)記，也很難直接觀測(cè)到其標(biāo)記信號(hào)。
因此，張鋒教授的研究團(tuán)隊(duì)采用了一個(gè)十分巧妙的方法來(lái)解決這一問題，他們采用了”堆疊“分子的化學(xué)合成法。
首先，研究人員將待測(cè)細(xì)胞滴在載玻片上，并進(jìn)行相應(yīng)的固定。隨后，往細(xì)胞內(nèi)注入各種各樣的DNA 標(biāo)記物（這里用的是 cDNA 片段），這些 DNA 標(biāo)記物會(huì)連接到與其互補(bǔ)的 RNA 分子上，使其具有唯一的標(biāo)簽。
但到此為止，我們還是不能直觀地觀測(cè)基因組，所以化學(xué)合成法派上用場(chǎng)了，研究人員以這些導(dǎo)入的DNA 標(biāo)記物為模板，大量擴(kuò)增其副本，使每一個(gè)標(biāo)記核酸都掛著”一大堆標(biāo)記副本“，這樣通過”分子堆疊“就使的相鄰的標(biāo)記分子相互碰撞，進(jìn)而使它們連在一起。
該研究的主要負(fù)責(zé)人之一Joshua A. Weinstein 教授表示，可以把每一個(gè)分子想象成一個(gè)向外發(fā)射自己信號(hào)的無(wú)線電發(fā)射塔?？康脑浇?，那么就可以產(chǎn)生更多的 DNA 對(duì)，”分子堆疊“效應(yīng)更明顯，反之，靠的越遠(yuǎn)，這些 DNA 對(duì)越少，”分子堆疊“效應(yīng)更弱。
在這一過程進(jìn)行大約30 個(gè)小時(shí)后，研究人員就拼湊出識(shí)別每一堿基的”分子堆“，然后該團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)算法解析這些”分子堆“信號(hào)，將原始樣本中的約 5000 萬(wàn)個(gè)基因的堿基序列轉(zhuǎn)化為圖像，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)者在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)樣本基因組信息。
參與本項(xiàng)研究的霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員 Aviv Regev 表示，捕捉這樣一個(gè)細(xì)胞的完整圖像不需要昂貴的顯微鏡或很多昂貴的設(shè)備，只需要樣本和一根”吸管“就夠了。
圖| 序列編碼顯示圖（其中紅光為 RFP、綠光為 GFP、白光為 GAPDH）(來(lái)源：Cell)
可能引發(fā)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大突破
在DNA 顯微技術(shù)原理及設(shè)備制備完成后，研究人員利用幾個(gè)我們熟知的基因?qū)?DNA 顯微技術(shù)的顯示效果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究人員選擇了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中最常用的幾種標(biāo)記蛋白，研究發(fā)現(xiàn)，DNA 顯微技術(shù)能夠很好地重建普通熒光顯微鏡捕捉的細(xì)胞圖像。
圖| 熒光顯微鏡圖像與 DNA 顯微鏡對(duì)比（圖 A、B 為熒光顯微鏡，D 為 DNA 顯微鏡）(來(lái)源：Cell)
Weinstein 教授表示，”你基本上能夠完全重建你在光學(xué)顯微鏡下看到的東西。這兩種方法是互補(bǔ)的。光學(xué)顯微鏡可以很好地看到分子，即使它們?cè)跇悠分邢∈?，DNA 顯微技術(shù)在分子密集時(shí)，甚至在分子堆疊時(shí)，其也擁有十分出色的顯示效果。“
圖| “DNA顯微鏡”圖像，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)細(xì)胞，顏色表示它們包含的 DNA 序列（來(lái)源：BROAD INSTITUTE OF MIT AND HARVARD）
此次研究的核心研究者張鋒教授說(shuō)，”每個(gè)細(xì)胞都有獨(dú)特的 DNA 堿基或基因型組成。通過直接從被研究的分子中捕獲信息，DNA 顯微技術(shù)開辟了一種將基因型與表型聯(lián)系起來(lái)的新方法“。這使得研究者可以更為直觀的將基因表達(dá)與蛋白功能表達(dá)聯(lián)系在一起，促進(jìn)生物學(xué)各分支的飛速發(fā)展。
圖| DNA 顯微技術(shù)顯像原理及其顯像圖 (來(lái)源：Cell)
此次DNA 顯微技術(shù)的發(fā)明是整個(gè)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大突破。每次顯微技術(shù)的突破都會(huì)帶來(lái)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)新的研究領(lǐng)域，比如冷凍電鏡的發(fā)明，直接將整個(gè)結(jié)構(gòu)生物學(xué)帶到新的高度。
因此，此次DNA 顯微技術(shù)的開發(fā)，其意義并不局限于其自身技術(shù)的突破，更為重要的是其未來(lái)的應(yīng)用前景與潛力，這會(huì)激發(fā)其他研究者對(duì)基因型與表型關(guān)系、腫瘤特異性靶向藥物和受體阻斷劑等多個(gè)領(lǐng)域更為深刻的創(chuàng)造力。
免疫系統(tǒng)就是一個(gè)完美的例子，免疫細(xì)胞基因可以因一個(gè)堿基改變而變異，每一種變異都會(huì)引發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生的抗體類型發(fā)生巨大變化，而細(xì)胞在組織中的不同位置也能改變抗體的產(chǎn)生。Weinstein 認(rèn)為，有一天 DNA 顯微技術(shù)可以幫助科學(xué)家們加速癌癥免疫療法治療的發(fā)展，幫助患者的免疫系統(tǒng)自主對(duì)抗其體內(nèi)的腫瘤組織。他說(shuō)，該方法可能潛在地識(shí)別出最適合靶向特定癌細(xì)胞的免疫細(xì)胞。
在Regev 看來(lái)，這種顯微技術(shù)的潛力是非常大的。”我們希望它能激發(fā)人們的想象力，讓人們受到我們從未想過的偉大想法的啟發(fā)?！?
