如同在房地產(chǎn)中一樣，在生物學(xué)中位置也很重要。活化基因的mRNAs戰(zhàn)略性定位在整個活體組織中，它們的位置往往幫助調(diào)控了細(xì)胞和組織的生長及發(fā)育方式。然而為了同時分析許多的mRNAs，科學(xué)學(xué)家們不得不將細(xì)胞碾磨成漿，這使得他們沒有好的辦法精確確定這些mRNAs在細(xì)胞內(nèi)的定位。

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院的一個研究小組，與Allen腦科學(xué)研究所展開協(xié)作開發(fā)了一種新方法，使得科學(xué)家們能夠在完整細(xì)胞中同時確定數(shù)以千計mRNAs和其他類型RNAs的定位——測定堿基序列來鑒別它們，并揭示出它們在做什么。

研究人員將這種方法命名為熒光原位RNA測序(FISSEQ)，其有可能促成早期癌癥診斷揭示出看似健康組織中驅(qū)動癌癥的分子改變。并有可能追蹤癌癥突變以及它們對于現(xiàn)代靶向療法的反應(yīng)，并揭示出一些更安全、有效的治療靶點(diǎn)。

該方法還有可能幫助生物學(xué)家們了解胚胎發(fā)育過程中組織的微妙變化——甚至幫助繪制出人類大腦神經(jīng)元迷宮圖譜。研究人員將這一方法在線發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)教授、Wyss研究所核心成員George Church博士說：“通過全面檢測細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)，我們能夠指出在諸如大腦一類的復(fù)雜組織中現(xiàn)在看不到的許多重要差異。這將有助于我們了解組織的形成以及在健康和疾病狀態(tài)中的功能機(jī)制。”

鎖定RNAs

在特定的時間健康人類細(xì)胞通常會將它們2萬個基因中近半數(shù)的基因開啟，它們仔細(xì)地選擇這些基因生成所需的細(xì)胞反應(yīng)。此外，細(xì)胞還可以上調(diào)或下調(diào)基因表達(dá)，生成少數(shù)到數(shù)千個基因mRNAs。

但同時精確指出所有這些mRNAs的細(xì)胞位置卻是一件難辦的事情。

Church和Wys研究所及哈佛醫(yī)學(xué)院研究人員Je Hyuk Lee博士迎接了這一挑戰(zhàn)。此外，他們還想同時確定這些RNAs的序列，由此鑒別它們并揭示它們的功能。

Lee和同事們首先采用化學(xué)方法處理組織將細(xì)胞中數(shù)千的RNAs進(jìn)行固定。隨后，他們利用一些酶將這些RNAs復(fù)制成DNA拷貝，然后將這些拷貝進(jìn)行多次復(fù)制，生成一個固定在同一點(diǎn)的復(fù)制DNA小球。

他們曾設(shè)法同時固定和復(fù)制了成千上萬的細(xì)胞RNAs。但這些RNAs非常緊密地包裝在細(xì)胞內(nèi)，顯微鏡和照相機(jī)都無法將單個復(fù)制DNA球的閃光與鄰近的區(qū)分開來。

一種RNA成像新方法

為了解決這一問題，研究人員開發(fā)了一種非常規(guī)方法顯影細(xì)胞內(nèi)的微小物體。它像城市郵政系統(tǒng)一樣運(yùn)作。如果郵件管理員試圖通過顏色來鑒別她所在城市中的每個家庭，隨著新的家庭建立起來她將很快用完顏色，使得郵件無法投遞。相反，郵件管理員是通過分配給它一個獨(dú)特的地址從而追蹤每個家庭。

研究人員意識到他們可以給細(xì)胞內(nèi)的每個RNA分配一個獨(dú)特的地址：RNA自身分子中的堿基序列。他們認(rèn)為采用類似新一代DNA測序的方法他們可以讀取這一地址。

在新一代測序中，科學(xué)家們碾磨組織，提取其DNA，讓DNA斷裂成小片段，然后稀釋這些片段使得每個DNA片段都能附著到載玻片單個位點(diǎn)上。他們利用一些酶和4種不同的熒光染料——每種染料代表一種堿基——使得DNA閃現(xiàn)一連串顏色，揭示它的序列。

采用類似的方法，科學(xué)家們嘗試在細(xì)胞中固定RNA,生成包含許多復(fù)制DNA的小球，然后采用新一代DNA測序，因此它能夠在固定細(xì)胞中起作用。4種閃光顏色可揭示每種復(fù)制DNA的堿基序列，告訴他們匹配RNA的堿基序列。這些序列理論上可提供無限數(shù)量的獨(dú)特地址——一個原始RNA一個地址。

起初科學(xué)家們難以顯影整個組織景觀仍在視野范圍內(nèi)時遠(yuǎn)距離單個復(fù)制DNA球的閃光。他們通過在特定時間選擇性開啟部分閃光點(diǎn)取得了成功，因此可以區(qū)分整個細(xì)胞區(qū)域的單個復(fù)制DNA閃光球。

這一策略只在他們能夠讀取到足夠多的堿基序列提供一個獨(dú)特的地址時才會起作用。最初，他們能夠確定的復(fù)制DNA堿基不超過6個，不能提供足夠多獨(dú)特的地址鑒別人類基因組中的單個基因。這時哈佛醫(yī)學(xué)院的研究生Evan Daugharthy加入進(jìn)來。

Fisseq起作用

Daugharthy首先設(shè)計了一種算法利用人類基因組中已知的基因序列來定位復(fù)制DNA序列。將不能對應(yīng)真正基因的閃光從圖像中刪除。

隨后Daugharthy利用了一種商業(yè)化DNA測序試劑盒，這使得研究小組能夠測序30個堿基，足夠給每種復(fù)制DNA提供一個獨(dú)特的地址。以這種方式，研究小組生成了對應(yīng)人類基因組中每個基因的RNA序列和位置的合成圖像。

Lee、 Daugharthy和同事們隨后對這種方法進(jìn)行測試，檢測了當(dāng)皮膚細(xì)胞在培養(yǎng)皿中增殖、遷移并愈合模擬傷口時開啟的基因。相比于邊緣線上靜坐的鄰近細(xì)胞，生長到創(chuàng)傷處的細(xì)胞有12種基因表達(dá)改變。相似的試驗(yàn)可以確定病變組織的一些新標(biāo)記物或靶向分子治療的一些新靶點(diǎn)。

Wyss研究所主任Don Ingber,說：“George研究小組完成了一個技術(shù)杰作。通過難以置信地確定微妙但極其重要的基因表達(dá)改變，精確確定它們的細(xì)胞內(nèi)定位，他們幫助打開了細(xì)胞診斷學(xué)新時代的大門。”