2021年1月6日

新方法直接揭示细胞内基因组的序列和结构

通过将DNA测序从测序器中取出并直接进入细胞，来自麦戈文大脑研究所、哈佛大学干细胞和再生生物学系(HSCRB)以及麻省理工学院和哈佛大学的布罗德研究所的科学家们揭示了基因组的全新观点。研究了一种新的基因组原位测序方法科学这样，研究人员就可以第一次确切地看到DNA序列是如何在细胞内组织和排列的。

该方法由McGovern研究所研究员和Broad研究所副研究员Ed Boyden、HSCRB教员和Broad副教员Jason Buenrostro以及HSCRB教员和Broad核心研究所成员Fei chen领导，将DNA测序技术与显微镜技术结合起来，精确定位完整细胞内特定DNA序列的位置。虽然其他方法可以让科学家重建基因组的结构信息，但这是第一个让科学家直接观察的测序技术。这项技术为研究广泛的生物学创造了新的机会，从DNA的三维结构如何影响其功能的基本问题，到与衰老、癌症、大脑疾病和其他疾病相关的结构变化和染色体重排。

“结构如何产生功能是生物学的核心主题之一，”博伊登说。“生物学的历史告诉我们，当你真的能看到一些东西时，你可以取得很多进步。”观察生物体的基因组是如何在细胞内排列的，可以帮助解释大脑中不同类型的细胞是如何解释基因的遗传密码或者揭示意味着健康和疾病之间差异的结构模式，他说。此外，研究人员指出，这项技术还可以直接看到蛋白质和其他因素是如何与基因组的特定部分相互作用的。

这种新方法建立在博伊登和陈的实验室正在进行的专注于细胞内RNA测序的工作之上。布恩罗斯特拉与两位科学家合作，将这项技术应用于DNA。“很明显，他们开发的技术将是一个对细胞基因组有新视角的绝佳机会，”他说。

他们的方法首先是将细胞固定在玻璃表面以保存其结构。然后，在基因组中插入小型DNA适配器后，数以千计的DNA短片段(约20个字母的编码片段)被放大，并在细胞内的原始位置进行测序。最后，样本被研磨并放入测序仪中，每次对所有细胞的DNA进行约300个字母的测序。通过在这些较长的片段中找到定位的短序列，该方法确定了每个片段在细胞三维结构中的位置。

博伊登解释说，在显微镜下观察用荧光标记的构建单元复制的DNA链，细胞内的测序与标准下一代测序器内DNA测序的方式或多或少是相同的。与传统的测序仪一样，DNA的四个组成单元(核苷酸)都被标记成不同的颜色，以便在添加到不断增长的DNA链上时能直观地识别出来。

Boyden, Buenrostro和Chen在几年前开始了他们的合作，他们说这项新技术代表了麻省理工学院和哈佛研究生Andrew Payne, Zachary Chiang和Paul Reginato的英勇努力，他们带头开发和整合了许多技术步骤和计算分析。这涉及到再现商业测序仪中使用的方法和引入几个关键的创新。陈说:“技术方面的一些进步已经让这从不可能变成了可能。”

该团队已经用这种方法可视化了基因组在生命最初阶段自我重组的过程。他们对小鼠胚胎内的DNA进行了测序，结果显示，从父母双方继承的遗传信息在受精后立即保持不同和分隔，然后随着发育的进展逐渐交织在一起。他们的测序还揭示了基因组组织模式是如何随着细胞分裂而传递下去的，这些模式在生命早期就因细胞而异，并产生了每个细胞发育起源的记忆。能够看到这些过程在整个细胞研究人员说，他们没有通过不那么直接的方式把它们拼凑在一起，而是提出了一种戏剧性的发展新观点。