北大学者最新文章首次利用超分辨成像技术观测活细胞

　　

　近日，在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目（31327901）、面上项目（31271423、21573013）等资助下，北京大学研究人员首次应用新型超分辨成像技术实现了活细胞单个转录工厂(RNA Pol II cluster)的动态过程观测和定量分析，研究成果以“Study of RNA Polymerase II Clustering inside Live-Cell Nuclei Using Bayesian Nanoscopy” （《应用贝叶斯超分辨显微术对活细胞RNA聚合酶II复合物的动态研究》）为题于2016年2月8日在国际著名期刊ACS Nano 杂志在线发表。北京大学生物动态光学成像中心孙育杰研究员为该论文的通讯作者。文章链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b07257

　　哺乳细胞的细胞核是一个高度复杂的自组装结构，已有大量证据表明基因表达调控过程经常伴随着染色质结构的动态变化。基于电子显微镜和免疫荧光显微镜的观察，分子生物学研究者发现细胞核中有多个RNA Pol-II（RNA聚合酶II）集合的位点，多个基因被招募到这些位点共转录，因此有人提出转录工厂(transcription factory)模型。然而受研究手段的限制，转录工厂模型存在较大争议：以往的形态学观察主要依赖于电镜和荧光显微镜，电镜虽然分辨率高，但无法提供活细胞动态信息；荧光显微镜则受光学原理限制，缺乏纳米尺度的分辨率。因此，通过应用和发展分子成像新仪器新技术，实现对转录工厂RNA Pol II cluster（RNA聚合酶II复合物）的动态定量观测对其生物学机制的研究具有重要意义。

　　超分辨率重建技术是指利用图像处理技术，从拍摄到的一组低分辨率图像中重建出一幅高分辨率图像，增强图像中的高频分量并消除由低分辨率成像系统产生的图像退化，从而突破硬件系统对图像分辨率的限制。通过应用和发展贝叶斯超分辨率显微技术及新算法，孙育杰课题组首次在活细胞的细胞核内原位观察到了单个转录工厂的组装和解聚的动态过程，以50nm空间分辨率和4秒时间分辨率，测量了活细胞内转录工厂的数目和大小随时间以及细胞环境的影响，揭示了转录工厂产生和消失的异质性，支持了转录工厂产生的on-demand（“立即响应”式）模型，证明了转录工厂在pre-elongation phase（延长前期）招募Pol II （RNA聚合酶II）分子。

　　该成像分析方法也可以应用到其他纳米尺度的活细胞核内动态观测研究，对推动生命科学基础研究发展有重要意义。

应用贝叶斯超分辨率显微技术原位观察细胞核内单个转录工厂

原文摘要：

Study of RNA Polymerase II Clustering inside Live-Cell Nuclei Using Bayesian Nanoscopy

Nanoscale spatiotemporal clustering of RNA polymerase II (Pol II) plays an important role in transcription regulation. However, dynamics of individual Pol II clusters in live-cell nuclei has not been measured directly, prohibiting in-depth understanding of their working mechanisms. In this work, we studied the dynamics of Pol II clustering using Bayesian nanoscopy in live mammalian cell nuclei. With 50 nm spatial resolution and 4 s temporal resolution, Bayesian nanoscopy allows direct observation of the assembly and disassembly dynamics of individual Pol II clusters. The results not only provide quantifications of Pol II clusters but also shed light on the understanding of cluster formation and regulation. Our study suggests that transcription factories form on-demand and recruit Pol II molecules in their pre-elongation phase. The assembly and disassembly of individual Pol II clusters take place asynchronously. Overall, the methods developed herein are also applicable to studying a wide realm of real-time nanometer-scale nuclear processes in live cells.