新型单细胞转录组测序：一次锁定10000个基因表达

　　

突破性新技术一次成像单细胞内10421个基因。这项工作由加州理工学院生物学教授、陈天桥雒芊芊研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute）神经科学附属学院成员Long Cai主持。6月7日，论文发表于《Cell》杂志。

新技术被称为内含子序贯荧光原位杂交（sequential fluorescence in situ hybridization，seqFISH），这是一个重大进展，以前，研究人员只能在显微镜下观察四到五个基因，现在，利用seqFISH科研人员能同时识别数百个不同细胞的半个完整基因组。

这项工作建立在Cai教授实验室之前的研究基础之上，他们分别在2014年和2017年开发了seqFISH的两个早期版本。

此次，seqFISH被扩展到了基因组水平，成像范围也扩大到了单细胞内超过10000个基因，约占哺乳动物基因总数的一半。

为了使遗传指令变成实用的蛋白质，基因需要经历“转录”过程，该过程经常突然发作。基因先被读取然后复制为信使RNA前体（pre-mRNA），科学家们把它们比喻为一份快速草稿。待这些分子成熟后它们就会转变为“编辑草稿”信使RNA（mRNA）。在编辑过程中，pre-mRNA的内含子区域被剪辑切除。

研究小组致力于内含子标记，因为它们是转录过程的早期产物，可以指示基因表达的精确时间。

利用新开发的内含子seqFISH技术，每个内含子被都标记上唯一的荧光条码以便显微镜观察。当一个基因被开启时，荧光条码可以指示基因表达的强度和位置。10421个内含子（即10421个基因）可以同时成像。

之前开发的条形码技术侧重点在标记mRNA本身。这种首次利用内含子的监测策略被称为“新生转录组（nascent transcriptomes）”。

研究人员发现，纵观全局许多基因都存在转录组振荡，振荡的时间尺度被Cai教授称为“令人惊讶的短暂”。细胞分裂和复制需要12-24个小时，但转录组振荡周期仅为2个小时。这说明着，细胞内许多基因是以2小时为周期发生突变的！

过去人们从未观察到这种振荡的原因有很多，一是不同细胞之间的2小时振荡周期并非同步，波动被多细胞测量方法平均了；二是seqFISH的高精确度允许研究人员确信他们观察到的是真实的生物波动，而不是技术噪音；三是哺乳动物的mRNA分子寿命长达3至4个小时，只有直接测量内含子才能发现2小时周期。

此外，因为内含子被留在了基因的物理位置，荧光成像就能可视化基因在染色体内的位置，由此，科研人员惊奇地发现，大多数活跃的蛋白质编码基因都位于染色体表面，而不是埋藏在染色体内。

“这项技术可用于任何组织，”Cai教授说，他也是人类细胞地图（Human Cell Atlas）项目的合作者。“除了可视化染色体结构，内含子seqFISH还能帮助我们定义细胞类型、预测细胞接下来将要做什么。”

原文检索：Dynamics and spatial genomics of the nascent transcriptome in single cells by intron seqFISH

（生物通：伍松）