深大科学家给基因拍3D写真集

想要破解人类基因组“天书”,首先得看清楚,它们在哪儿?之间有何关联?深圳大学的研究人员日前发布重大科研成果。

人类基因组是一部由30亿个碱基对排列组合而成的“天书”,里面有我们的“自传”,更蕴含着生命延续进化的密码。想要破解人类基因组“天书”,首先得看清楚,它们在哪儿?之间有何关联?深圳大学的研究人员日前发布重大科研成果:通过自主搭建的光学超分辨率平台,首次为长度仅为2500碱基对的DNA序列,拍摄3D立体照片。这是迄今为止,用光学显微镜所能看到的最短特异基因组序列。未来科学家可以继续给不同基因组位点拍照,并一一靶向定位,用来观察其相互之间的互动模式,以此实现在细胞尚未发生病变时,就能判断其是否具备癌变可能。

自主搭建光学显微镜

6月28日上午,深圳大学在光电工程学院召开发布会,公布近期取得的重要科研成果。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碱基对的DNA序列的3D超分辨图像。

目前,深大研究团队由五位“三字头”(年龄均为30多岁)博士组成,共同第一作者牛钢博士解释说,光学显微镜追求的效果是,观察到的基因序列越短,越能看到最本质的东西。如果能将2500碱基对,缩小至几个碱基的话,图像的分辨率就达到了最佳效果,未来团队将致力于实现100碱基的3D成像。

人类重大复杂疾病可及早发现

成果作者代表曹博是团队中的“基因摄像师”,在光学显微镜下观察细胞图像并进行拍摄,每天需要工作十几个小时,却只能完成二三十个细胞的3D照片。曹博说,研究成果将与A I人工智能结合,用人类经验指导电脑自动学习细胞特征,完成科学家的指令,“我们初步算下来,人工智能辅助系统一天可拍摄几百个细胞。机器在人类监督下进行自我学习、升级认知水平,最终达到自动识别、监视、捕获每一个细胞中不同标靶的日常行为。”

除了建设超分辨率光学显微镜,深大研究团队还开展了X射线相称显微技术,以及基于识别化学光谱的卡斯光谱显微成像技术。通过多种技术平台的组合应用,研究者在未来不仅可以将活体软组织内部的精细结构,在三维空间中立体展示,同时也能直接看到最小的分子,明白其化学结构。牛钢认为,上述技术的实现,对于民众最直接的好处是,人类的重大复杂疾病可及早发现,比如肝癌的早期患者在利用现代光学成像之后,可以及早发现肝内细微结构与肝细胞的异常情况。据此情报,医生可以提前介入治疗,挽救生命。这无论是对于医疗方式的升级换代,还是生命科学的基础研究,都实现了1.0到2.0的飞跃。

揭秘

打开细胞核中存放基因的“黑匣子”

想要破解人类DNA“天书”,除了用眼睛直接看清楚“文字”,还要明确它们在文中所处位置,彼此之间有何关联。牛钢说,在活细胞核中,基因之间的位置信息非常重要,关乎细胞变异与疾病的早期诊断、预防。在这项技术诞生前,细胞核中的基因就像存在于黑匣子中,借着微弱的光亮,人们得以依稀看到其模糊的图像。

在细胞核中精确标记基因

研究人员更是只能从宏观上观察细胞形态,用统计学方法获得实验数据。但是单个细胞内部更细微的功能和机构是否发生变化,以及如何发生变化,都无从知晓。通过深大团队提出的这种新方法,科学家可以精确地在细胞核中标记基因。如果它们彼此之间发生了不该发生的关系,或者进行了过于激烈的相互作用,很可能就会导致基因组的某部分产生变异,并最终驱动这个单细胞变成了肿瘤细胞。

牛钢把这些逃逸了免疫系统监控,并且恶性增长的肿瘤细胞疾病比喻成犯罪嫌疑人。首先一一将其靶向定位,然后进行追踪,“一旦它们聚在一起,就知道这是癌变的最早期特征。也就是说,当细胞还没发生变异,是正常细胞的时候,我们已经提前发觉,它产生潜在的危险性了。”目前在肿瘤细胞检测时,临床通常采用生物学中的统计性测量方法,每次提取十的五到六次方个细胞进行DNA测序。上述测量方式的弊端是,导致单细胞的独特信息洇灭在海量信息中,“就好像一个犯罪分子隐藏在一百万个人里,你提取的是万人信息,就无法找到这个犯罪分子的信息。”

肿瘤细胞测序成本降至数百元

通过采用分子信标(MB)探针的这一新方法(MB-FISH ),能够基于纳米分辨条件,精确展现目标DNA小片段,在细胞核内三维空间的分布。这种能力就类似于,在拥挤的超过一百万人的超级候机楼,精确识别出想要找的那个人。“肿瘤细胞每个都不一样,液体活检时,如果把一个一个细胞单独拿来测序,成本非常高,花费百万元。”但若使用光学显微镜的平台去精确呈现细胞,个人诊断的成本降至数百元,而得到疾病细胞的信息量却是非常巨大。

团队希望,未来可以实现同时监控多个肿瘤细胞。就如同C IA执行针对恐怖分子的作战任务时,使用无人机观察目标。当恐怖分子从用来隐藏的建筑物中现身,技术人员在电脑系统中对其一一标记,标记会始终跟随每一个人,从而实现多目标的标记。科学家通过光学显微镜,给不同基因拍照,并一一靶向定位,用来观察其相互之间的互动模式,以此实现在细胞尚未发生病变时,就能判断其是否具备癌变可能。

背景

创新先进光学方法

在生命科学中的应用

该研究团队由深圳大学牛憨笨院士率领,他曾表示,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。

据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介绍,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,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。但是传统的FISH方法受限于各种因素(包括标记能力和光学分辨率),难以获得基因组中特定短片段的清晰微观图像。

直到2015年,哈佛大学WuChao-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。深圳大学此次发表于eLife上的这项研究成果,则进一步推动了FISH技术捕获基因组特定短片段的能力,不仅将拍摄到的基因序列缩短了一倍,更将成像效果从2D升级为3D。

出品:南方都市报科学新闻工作室

主持:陈养凯 采写:南都记者 朱倩