人類基因組是一部由30億個堿基對排列組合而成的“天書”，里面有我們的“自傳”，更蘊含著生命延續(xù)進化的密碼。想要破解人類基因組“天書&rdqu
人類基因組是一部由30億個堿基對排列組合而成的“天書”，里面有我們的“自傳”，更蘊含著生命延續(xù)進化的密碼。想要破解人類基因組“天書”，首先得看清楚，它們在哪兒？之間有何關(guān)聯(lián)？深圳大學(xué)的研究人員日前發(fā)布重大科研成果：通過自主搭建的光學(xué)超分辨率平臺，首次為長度僅為2500堿基對的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。未來科學(xué)家可以繼續(xù)給不同基因組位點拍照，并一一靶向定位，用來觀察其相互之間的互動模式，以此實現(xiàn)在細胞尚未發(fā)生病變時，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)院召開發(fā)布會，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)達拉斯分校的研究人員，在自主搭建的三維隨機光學(xué)重建顯微鏡(3D-STORM)平臺上，擴展了一種基于統(tǒng)計光學(xué)成像的診斷工具，用來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)雜細胞核環(huán)境背景下、長度僅為2500堿基對的DNA序列的3D超分辨圖像。
目前，深大研究團隊由五位“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，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，縮小至幾個堿基的話，圖像的分辨率就達到了最佳效果，未來團隊將致力于實現(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隊中的“基因攝像師”，在光學(xué)顯微鏡下觀察細胞圖像并進行拍攝，每天需要工作十幾個小時，卻只能完成二三十個細胞的3D照片。曹博說，研究成果將與A I人工智能結(jié)合，用人類經(jīng)驗指導(dǎo)電腦自動學(xué)習(xí)細胞特征，完成科學(xué)家的指令，“我們初步算下來，人工智能輔助系統(tǒng)一天可拍攝幾百個細胞。機器在人類監(jiān)督下進行自我學(xué)習(xí)、升級認知水平，最終達到自動識別、監(jiān)視、捕獲每一個細胞中不同標(biāo)靶的日常行為。”
除了建設(shè)超分辨率光學(xué)顯微鏡，深大研究團隊還開展了X射線相稱顯微技術(shù)，以及基于識別化學(xué)光譜的卡斯光譜顯微成像技術(shù)。通過多種技術(shù)平臺的組合應(yīng)用，研究者在未來不僅可以將活體軟組織內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)，在三維空間中立體展示，同時也能直接看到最小的分子，明白其化學(xué)結(jié)構(gòu)。牛鋼認為，上述技術(shù)的實現(xiàn)，對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)細微結(jié)構(gòu)與肝細胞的異常情況。據(jù)此情報，醫(yī)生可以提前介入治療，挽救生命。這無論是對于醫(yī)療方式的升級換代，還是生命科學(xué)的基礎(chǔ)研究，都實現(xiàn)了1.0到2.0的飛躍。
揭秘
打開細胞核中存放基因的“黑匣子”
想要破解人類DNA“天書”，除了用眼睛直接看清楚“文字”，還要明確它們在文中所處位置，彼此之間有何關(guān)聯(lián)。牛鋼說，在活細胞核中，基因之間的位置信息非常重要，關(guān)乎細胞變異與疾病的早期診斷、預(yù)防。在這項技術(shù)誕生前，細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胞形態(tài)，用統(tǒng)計學(xué)方法獲得實驗數(shù)據(jù)。但是單個細胞內(nèi)部更細微的功能和機構(gòu)是否發(fā)生變化，以及如何發(fā)生變化，都無從知曉。通過深大團隊提出的這種新方法，科學(xué)家可以精確地在細胞核中標(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，或者進行了過于激烈的相互作用，很可能就會導(dǎo)致基因組的某部分產(chǎn)生變異，并最終驅(qū)動這個單細胞變成了腫瘤細胞。
牛鋼把這些逃逸了免疫系統(tǒng)監(jiān)控，并且惡性增長的腫瘤細胞疾病比喻成犯罪嫌疑人。首先一一將其靶向定位，然后進行追蹤，“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，當(dāng)細胞還沒發(fā)生變異，是正常細胞的時候，我們已經(jīng)提前發(fā)覺，它產(chǎn)生潛在的危險性了。”目前在腫瘤細胞檢測時，臨床通常采用生物學(xué)中的統(tǒng)計性測量方法，每次提取十的五到六次方個細胞進行DNA測序。上述測量方式的弊端是，導(dǎo)致單細胞的獨特信息洇滅在海量信息中，“就好像一個犯罪分子隱藏在一百萬個人里，你提取的是萬人信息，就無法找到這個犯罪分子的信息。”
腫瘤細胞測序成本降至數(shù)百元
通過采用分子信標(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，在擁擠的超過一百萬人的超級候機樓，精確識別出想要找的那個人。“腫瘤細胞每個都不一樣，液體活檢時，如果把一個一個細胞單獨拿來測序，成本非常高，花費百萬元。”但若使用光學(xué)顯微鏡的平臺去精確呈現(xiàn)細胞，個人診斷的成本降至數(shù)百元，而得到疾病細胞的信息量卻是非常巨大。
團隊希望，未來可以實現(xiàn)同時監(jiān)控多個腫瘤細胞。就如同C IA執(zhí)行針對恐怖分子的作戰(zhàn)任務(wù)時，使用無人機觀察目標(biāo)。當(dāng)恐怖分子從用來隱藏的建筑物中現(xiàn)身，技術(shù)人員在電腦系統(tǒng)中對其一一標(biāo)記，標(biāo)記會始終跟隨每一個人，從而實現(xiàn)多目標(biāo)的標(biāo)記。科學(xué)家通過光學(xué)顯微鏡，給不同基因拍照，并一一靶向定位，用來觀察其相互之間的互動模式，以此實現(xiàn)在細胞尚未發(fā)生病變時，就能判斷其是否具備癌變可能。
背景
創(chuàng)新先進光學(xué)方法
在生命科學(xué)中的應(yīng)用
該研究團隊由深圳大學(xué)牛憨笨院士率領(lǐng)，他曾表示，要提供解決根本問題的手段，來研究生命現(xiàn)象，研究者需要理解研究方法和對象的物理本質(zhì)。近二十年來，牛憨笨院士不但致力于先進光學(xué)方法的創(chuàng)新，同時積極推動先進光學(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)來自清華大學(xué)和德州大學(xué)達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80年代初開發(fā)，包括使用結(jié)合染色體特定部位的熒光探針來檢測特定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驗室，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)域進行超分辨率成像。深圳大學(xué)此次發(fā)表于eLife上的這項研究成果，則進一步推動了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升級為3D。
出品：南方都市報科學(xué)新聞工作室
主持：陳養(yǎng)凱采寫：南都記者朱倩
