MERFISH技术发Paper卷到新高度!

【字体: 时间:2023年03月07日 来源:

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  7年间,科学家们不断的用MERFISH技术解答之前未解的科学问题,有超过20篇顶级期刊刊载出基于MERFISH技术取得的卓越科学成就。更有甚者,基于MERFISH技术于3个月内在Cell杂志上发表两篇科学论文,她们是如何做到的?

MERFISH(Multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization)技术由华人科学家美国工程院院士庄小威在2015年发明,2021年,美国Vizgen公司经授权商品化出MERSCOPE™ MERFISH超分辨荧光显微成像分析平台。7年间,科学家们不断的用MERFISH技术解答之前未解的科学问题,有超过20篇顶级期刊刊载出基于MERFISH技术取得的卓越科学成就。更有甚者,基于MERFISH技术于3个月内在Cell杂志上发表两篇科学论文,她们是如何做到的?

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2022年12月28日,庄小威团队在Cell杂志发表了一篇题为“Molecular and spatial signatures of mouse brain aging at single-cell resolution”的研究论文,该文章利用MERFISH和snRNA-seq在额叶皮层和纹状体内生成了大脑衰老细胞图谱,并对基因表达进行了定位和定量分析。

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研究发现,与神经元相比,非神经元细胞中年龄诱导的变化更为明显,并且这些变化在非神经元细胞中表现出特定的空间模式。在分子水平上,非神经元细胞中许多随年龄上调的基因与先天免疫相关的炎症通路的激活有关,这可能是组织稳态失调的一种指示。衰老与脂多糖诱导的脑炎症既有相似之处,又有显著差异。一方面,包括促炎细胞因子和这些细胞类型的激活状态标记物等许多相同的基因在这两种过程中都被上调;另一方面,衰老和脑炎症的细胞状态变化在基因表达和空间格局上具有差异。特别是,胼胝体白质中少突胶质细胞附近的小胶质细胞和星形胶质细胞的激活在衰老的大脑中被独特地观察到。

利用MERFISH和snRNA-seq,很好地解答了:1.不同细胞类型和细胞状态的分子特征如何随着年龄的增长而变化?2.被激活的细胞在空间上如何分布? 3.这种激活是否取决于环境因素和细胞间的通讯? 4.衰老导致的变化与炎症有什么关联?MERFISH技术具有单细胞分辨率、准确的细胞边界分析算法,可以更准确的绘制出小鼠脑衰老图谱、分析细胞之间的细胞通讯,更加真实地分析微环境。

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MERFISH技术不仅在单细胞原位空间转录组学应用中大放异彩,同样的研究团队,庄小威院士及其团队在两个月前就以MERFISH技术进行单细胞原位表观基因组学研究成果在Cell上发表另一大作。

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文中介绍了MERFISH技术的新应用方向——Epigenomic MERFISH,利用转座酶标记和原位转录以及多重成像技术对单个细胞进行空间表观基因组成像分析。

基因表达的时空控制对细胞和组织的发育和功能至关重要。表观基因组中编码的调控信息,如组蛋白和DNA修饰,使基因的差异激活或抑制在发育过程中产生不同的细胞类型。最近,表观遗传测序技术已扩展到单细胞水平,以表征单个细胞中的染色质可及性和表观遗传修饰。然而,基于测序的方法需要细胞分离,会使细胞的空间背景丢失。为了以高通量的方式对表观基因组位点进行成像,研究人员首先在染色质上用一抗标记特定的表观遗传修饰,二抗与合成蛋白(Protein A-Tn5)相结合,允许Tn5将T7启动子转座到表观遗传修饰位点或附近的DNA区域。T7启动子标签进一步允许DNA片段被T7 RNA聚合酶转录成RNA。这一原位转录步骤将DNA片段的单个拷贝放大为许多RNA拷贝。最后,通过MERFISH检测转录的RNA。

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研究人员测量了H3K4me3和H3K27ac两种修饰来估计成年小鼠大脑皮层以及小鼠胚胎大脑中启动子和增强子的分布。结果显示,表观基因组MERFISH同样可达亚细胞分辨率,启动子和增强子分别在成年小鼠大脑皮层呈现特异性层富集模式以及在小鼠胚胎大脑中呈现区域特异性富集模式,且这些位点和基因的富集模式在表观基因组MERFISH和RNA MERFISH测量中基本相似。并且他们发现,表观基因组MERFISH可以提示假定的启动子-增强子对和调节发育重要基因的增强子中枢。

Epigenomic MERFISH提供了一种方法可以用与RNA或DNA FISH相比更少的探针来大规模测量表观基因组的空间分布,用抗体检测的特性使得Epigenomic MERFISH不仅可以提供组蛋白和DNA修饰的空间分辨率单细胞分析,而且还提供转录因子和长非编码RNA沿基因组DNA的结合模式。未来,该方法还可继续发展为同时检测多表观修饰和与RNA或DNA FISH相结合,极大地丰富空间多组学研究方法并加速对于转录调控机制的理解和研究。

参考文献:

1.https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.010

2.https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.035

Summary

MERFISH技术在空间转录组研究的应用已经非常成熟,被广泛地应用于解析衰老等神经退行性疾病、肿瘤的发生、免疫微环境、组织再生等。在空间表观基因组的应用又进一步拓宽了该技术的应用前景。

不止于此,Vizgen公司在2022年底推出的6种蛋白同时检测方案允许科学家更好地进行特定组织区域或细胞类型的基因表达谱;在可个性化定制的基因数量上也有翻倍的计划。MERFISH技术、MERSCOPE平台将会继续助力科学家们更好地解答生物学中的科学难题!


基因有限公司于2022年3月正式签约成为美国Vizgen公司MERSCOPE™超分辨荧光显微成像分析平台在中国的总代理,负责仪器的售前咨询、售后安装、应用培训和支持。基因集团上海贝晶生物技术有限公司可承接MERFISH超分辨率空间转录组技术服务。如果您感兴趣可以添加产品经理二维码一对一沟通,也可以联系您身边的基因人。

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