Science新方法引起科学界关注，在深层组织中进行高通量RNA和蛋白质检测

HHMI的Janelia研究园区开发了一种创新的新技术，使用一种新颖的DNA条形码系统来跟踪厚生物样本中单细胞中的数百种RNA和蛋白质分子，为研究人员提供了这些结构在组织内如何组织的全图。

　　

对于Liu的实验室来说，需求确实是发明之母。

研究人员正在研究基因组的三维组织如何控制发育，这需要在厚组织样本中对数百个RNA分子进行成像，以了解基因在细胞中的表达位置和方式。然而，有一个问题：当时没有能够胜任这项任务的工具。一种技术可以在薄层细胞中对大量RNA分子进行成像，但另一种方法虽然可以在深层组织中成像，却只能在单个样本中检测到三到四种分子。

因此，位于霍华德·休斯医学研究所（HHMI）珍利亚研究园区的团队决定自己开发工具。结果他们开发了一种创新的新技术，该技术利用一种新颖的DNA条形码系统，在厚生物样本的单细胞内追踪数百个RNA和蛋白质分子，为研究人员提供了一个完整的组织内这些结构的组织方式的全貌。

RNA分子携带从DNA转录的指令，用于制造执行活细胞大部分工作的蛋白质。了解这些分子在复杂组织中的位置是理解基因在不同区域和细胞类型中表达位置和方式的关键部分。这些信息使研究人员能够破译基因在生物体不同部位的功能、它们如何促进发育，以及它们在疾病中可能如何改变。

除了在生物学和神经科学中的应用外，研究人员表示，这种新方法还可能用于诊断成像。

“我认为这将在很广泛的领域产生变革，而不仅仅是对我所在领域的研究人员来说，这是一种为回答一个非常晦涩问题而开发的工具，但我认为所有生物学家都可以在他们喜欢的样本中使用这种技术。”Zhe Liu说。

深度和通量

这种新的成像工具名为cycleHCR，它是在之前开发的一种名为杂交链反应（HCR）的技术基础上发展而来的。该技术在目标上组装多个荧光团，当通过荧光显微镜成像时，这些荧光团会像明亮的灯塔一样发光，使研究人员能够看到组织深处单细胞内的分子。

然而，HCR受到当前荧光团的限制，由于它们覆盖的光谱范围较宽，一次只能使用三到四种颜色。这意味着研究人员一次只能检测到少量分子，难以获得它们在组织内组织方式的完整图景。

为了解决这个问题，该团队设计了一种新颖的DNA条形码，可以将其附着到目标分子上。就像超市中产品上的条形码可以标识商店中的每种商品类型一样，独特的DNA条形码允许研究人员标记样本中的每种分子类型。

每个条形码包含两部分。当两部分匹配时，目标就会通过HCR技术被放大。条形码的两部分确保这些标签足够具体，能够检测到单个类型的RNA分子。

条形码还被设计为可以轻松移除，因此可以在同一样本上进行多轮HCR。第一轮成像使用三种条形码，分别用三种不同颜色检测三种RNA分子。这些条形码被移除后，第二轮成像使用三种不同的条形码，如此进行多轮成像，最终可以在单个样本中发现无限数量的目标。

“我们改进了分裂扩增链反应技术，现在我们增加了条形码，可以检测到数百个，甚至可能数千个RNA，通过这些多轮成像，”Zhe Liu实验室的高级科学家Valentina Gandin说，她也是这项研究的共同负责人。“条形码是我们增加的新颖之处。”

除了检测RNA外，研究人员还开发了一种使用相同条形码检测蛋白质的方法，使研究人员能够更好地了解RNA和蛋白质在组织中的组织方式。

该团队还实现了系统的自动化，使研究人员能够在一天内检测多达十几种分子物种，而无需不断监控整个过程。此外，新研究的共同第一作者、博士后科学家Jun Kim开发了分析方法，这些方法可以绘制基因在空间上的表达位置，并帮助研究人员理解原始数据。实验室还与珍利亚的科学计算软件支持团队合作，开发了一个用于处理大量成像数据的自动化流程。

研究人员与其他珍利亚实验室合作，使用这种新方法在小鼠胚胎中定量基因表达，单个样本中定量了254个基因。这使得研究人员能够表征胚胎中的所有细胞类型，并发现了之前未被表征的新细胞类型，这些信息对于理解发育至关重要。

这种新技术已经在科学界引起了关注，团队正在努力使更多实验室能够使用这种新工具。他们分享了所有的条形码序列，以便其他实验室可以设计自己的探针，即使他们没有自动化系统。团队还在构建一个更精简的原型系统版本，并计划与科学界分享他们的自动化平台。

“最终，我们希望每个人都能使用它，”Liu说，“我们真的希望我们的技术能够广泛传播，使每位科学家都能够使用它。”