專家解讀Nature丨驚嘆!超高分辨直接觀測基因表達的染色質時空調控
解讀丨馮穎、馬涵慧(上海科技大學)
頡偉(清華大學)責編丨迦漵
生命科學的一個基本問題是在個體發育中,單個細胞如何分化成各種類型的組織細胞。這個過程高度依賴於基因表達的精確時空調控,而這種細胞特異基因表達與染色質的調控密切相關。
比如,不同的順式調控原件增強子能夠在不同細胞中選擇性地激活目標基因。每個基因經常由分佈在千鹼基(kb)甚至兆鹼基(Mb)以外的多個增強子來調節,而增強子能夠選擇性地激活靶基因常常歸因於基因組的三維空間結構。因此,在納米尺度、千鹼基解析度條件下研究染色質的三維結構對解析胚胎髮育過程中細胞分化與細胞命運決定至關重要。
基於高通量測序的染色質構象捕獲技術(3C和Hi-C)已經鑒定出大量的組織特異染色質環(loops),並發現了胚胎髮育不同時期的特異染色質拓撲結構域(TADs)。但是這些研究主要是羣體細胞分析的結果,並不能知道單細胞行為是否有所不同。單細胞Hi-C方法雖然揭示了染色質結構的異質性,但其解析度不足以在單細胞水平看到清晰的TAD結構。2018年11月份,哈佛大學莊小威實驗室和其博後Alistair Boettiger(現任職於斯坦福大學的助理教授)在Science上發表論文,利用她們早期建立的MERFISH技術,結合超高分辨顯微成像技術解析了30 kb解析度下的單細胞TAD結構【1】。利用這個方法直接證明瞭類TAD結構域是在細胞裏真實存在的物理性結構,同時也發現類TAD結構以及其邊界(boundaries)在單細胞中的高度異質性。但是30 kb的解析度並不足以看到基因內部的精細結構,比如組織特異的增強子與啟動子相互作用等。(專家解讀丨莊小威組在Science總結超分辨顯微成像技術)
2019年3月19日,Alistair Boettiger實驗室又在Nature以長文發表題為Visualizing DNA folding and RNAin embryos at single-cell resolution的論文,把染色質DNA檢測的解析度提高到2 kb,能清晰得看到增強子與啟動子相互作用,並且同時檢測新生RNA(nascent RNA)水平來研究增強子與啟動子相互作用對基因轉錄的影響【2】。利用該方法,這項工作做到了在胚胎中上千個細胞中同時原位檢測染色質三維結構和基因表達。這項令人激動的成果展示瞭如何高精度直接觀測基因表達的染色質時空調控。