超大细胞通过膨胀显微镜解开基因组的秘密

打开或关闭基因的能力对于我们在细胞、个体、甚至健康和疾病方面看到的多样性至关重要。这个过程称为基因转录，涉及将存储在 DNA 中的信息转换为称为 RNA 的“复本”。直到最近，科学家们还依靠不精确的插图和间接实验来理解这一过程，因为它发生在分子水平上并且不直接可见。然而，突破性的显微镜技术现在使研究人员能够观察遗传物质中以前未见过的分子过程，为基因如何激活和调节提供有价值的见解。

耶鲁大学医学院 Fergus F. Wallace 遗传学教授Antonio Giraldez 博士研究基因组中的 DNA 代码以及细胞如何解释这些代码以形成胚胎。理解这些过程的一个重要方面涉及我们可视化基因组的能力。不幸的是，传统的显微镜方法有局限性。为了克服这些限制，Giraldez 和他的同事，包括该研究的第一作者、博士生 Mark Pownall，与细胞生物学 Harvey 和 Kate Cushing 教授、生物医学工程和物理学教授、生物医学工程和物理学教授Joerg Bewersdorf博士合作。显微镜——开发一种称为染色质扩展显微镜 (ChromExM) 的新技术。

7月6日《科学》在线发表的一篇论文。他们证明了它成功地将斑马鱼胚胎细胞核的物理体积增加了 4,000 倍，从而大幅提高了图像分辨率。该技术使研究人员首次看到胚胎发育过程中单个分子如何影响细胞中的基因表达，并提出了基因如何调节的新模型。

“我们的研究使我们能够看到细胞核的基本过程，这是生命中一切事物的基础，从胚胎的形成到癌症，”吉拉尔德斯说。“我们可以看到以前只能想象的过程。”

我们的研究使我们能够看到细胞核的基本过程，这些过程是生命中一切事物的基础，从胚胎的形成到癌症。我们可以看到以前只能想象的过程。

吉拉尔德斯说，精子与卵子受精后，基因组最初是“沉默的”。受精卵必须转化为瞬时多能干细胞，或者可以产生许多不同细胞类型的细胞，才能发育出健康的胚胎。编程该细胞产生其他细胞的能力需要启动基因组。

多年来，吉拉尔德斯和他的团队一直在研究基因组是如何被激活的。从识别重要参与者到了解哪些基因被激活，他们取得了重大进展。“但我们从未见过基因组为我们自己激活，”吉拉尔德斯说。“描述事情可能如何发生和实际目睹事情如何发生之间是有区别的。”

显微镜技术 ChromExM 帮助研究人员可视化基因组

该研究的共同高级作者 Bewersdorf 在之前的工作中开发了一种名为 pan-ExM 的技术，该技术将细胞锚定到可膨胀凝胶上，从而以前所未有的分辨率可视化细胞特征。当凝胶膨胀时，它将细胞和其中的蛋白质拉开，同时保持它们的空间组织，直到细胞体积增大 64 倍。然后，研究小组用第二块凝胶重复了这个过程，使细胞的体积增长了 4000 倍。在这项新研究中，Giraldez 和 Bewersdorf 实验室合作创建了 ChromExM 并将其应用于胚胎，以可视化基因的调控方式。现在，每个细胞的大小与胚胎差不多。“我们使用了一种非常传统的工具，共焦显微镜，当与 ChromExM 结合时，这使我们能够获得令人难以置信的细胞分子机制分辨率，”Giraldez 说。“即使是最强大的显微镜也无法观察到这一点。”

他解释说，这个过程就像玩具蛋放入水中后会膨胀成恐龙。当鸡蛋第一次落入玻璃杯中时，恐龙的特征尚不可见。但随着玩具的成长，它会从无定形的东西转变成具有详细特征的生物。“那只恐龙可能已经长大了两到三倍，”吉拉尔德斯说。“现在想象一下 4,000 倍的增长。”

通过 ChromExM，该团队首次能够看到基因组的基本运作过程。这使得他们能够开发出一种基因调控方式的新模型，他们将其命名为“kiss-and-kick”，以描述 DNA 中称为增强子的调控区域如何与基因开头(启动子)相互作用以触发的短暂过程。基因的表达，以及转录的爆发如何分离基因的调控区域(或踢开增强子)以暂停表达。“这就像从八十年代的像素化黑白手机屏幕到今天的超高清、彩色大屏幕，”吉拉尔德斯说。“我们的技术使我们能够看到以前不可能看到的细节。”

通过这种新方法，研究小组期待检验直到最近还无法检验的假设。例如，除了观察基本的分子过程之外，他们还希望探索不同的基因如何打开或关闭、它们如何相对于细胞核中的其他基因定位以及突变如何影响基因位置。此外，虽然其他显微镜技术可能非常昂贵，但大多数实验室都可以使用 ChromExM。吉拉尔德斯说：“我们的工作将使一种观察细胞核内分子过程如何发生的方法大众化，这将开辟新的研究领域。”

该团队现在希望进一步提高其技术的分辨率。虽然研究人员现在能够可视化与基因组相互作用的分子，但他们仍然无法识别单个基因。“想象一下你在太空中，你拍了一张纽约市的照片。以前你只能看到岛屿，但现在你可以看到城市里的人们，”吉拉尔德斯解释道。“但我们仍然不知道这些人是谁。如果你将这些人视为我们想要看到的基因，那么接下来我们需要一台相机，让我们能够专注于个体。” 这一细节将使科学家能够了解基因如何开启和关闭、破坏或修复的基本原理，以及突变如何影响其功能——所有这些都是了解我们的基因如何在健康和疾病中发挥作用的基本步骤。