科学家开发出一种可直接揭示细胞内基因组序列

近日，一篇刊登在国际杂志Science上题为“In situ genome sequencing resolves DNA sequence and structure in intact biological samples”的研究报告中，来自博德研究所等机构的科学家们通过研究将DNA测序从测序仪中“提取”了出来直接应用到细胞中，揭示了细胞基因组的全新视角；文章中，研究人员报道了一种基因型原位基因组测序的新方法，他们首次精确地分析了DNA测序是如何在细胞内组装和排列的。

这种新方法能将DNA测序技术与显微镜相结合，从而精确地确定完整细胞内特定DNA序列的位置，尽管其它方法能让科学家们重建基因组的结构信息，但这篇研究报告中，研究人员开发出了一种能够直观观察基因组的测序技术，同时该技术还未研究广泛的生物学问题创造了新的机会，比如DNA三维结构是如何影响其功能和结构改变，以及与机体多种疾病相关的染色体重排等。

研究者Boyden说道，结构如何产生功能是生物学的核心主题之一，而关于生物学的历史则告诉我们，当我们真正看到一些东西时，我们或许就能取得更多进展；观察一个生物体的基因组是如何包装在其细胞内能够帮助解释大脑中不同类型的细胞如何解释其遗传代谢，或者能够解释意味着健康和疾病之间差异的结构模式；此外，研究人员还指出，该技术能够世界观察到蛋白质和其它因素是如何与基因组的其它部分相互作用的。

这种新方法首先是将细胞固定在玻璃表面上来保持其结构，随后，当在基因组中插入了小型的DNA适配器后，数千段较短的DNA片段（大约仅有20个字母代码）就会在细胞内的原始位点进行扩增和测序；最后，将样本磨碎后放入测序仪，每次就能够实现对所有细胞DNA中大约300个碱基进行测序；通过在这些较长片段中找到位置识别的短序列，该方法就能够精确地确定每个片段在细胞三维结构中的位置信息。

研究者Boyden解释道，通过利用荧光标记的基本元件在显微镜下观察DNA链的复制过程，我们发现，细胞内的测序与标准的下一代测序仪内DNA测序的方式大致相同；与传统的测序仪一样，DNA的四个基本元件/核苷酸都会被标记上不同的颜色以便其能被添加到不断增长的DNA链中，从而就能够被更加直观地识别出来。文章中，研究人员率先开发并整合了其他许多技术步骤和计算及分析，这既涉及到了重新使用商业测序中使用的方法，也涉及到了一些关键的创新。

目前研究人员已经利用这种新方法对在生命的最初时刻进行组装的基因组进行了可视化研究和分析，他们在小鼠胚胎内部进行测序的DNA颜色代表，揭示了遗传自父母双方的遗传信息是如何在受精后立即保持不同和分区的，随后其会随着发育的进行而逐渐交织在一起；测序结果还揭示了基因组组装的模式是如何随着细胞的分裂而发生传递的，这些模式在生命的早期就已经因细胞而异了，从而就会产生每个细胞发育起源的记忆。研究人员指出，能够观察这些过程在整个细胞中展开，而并非通过不那么直接的手段将其拼凑在一起，这或许为我们后期研究提供了一种新的研究基础。

尽管研究人员能够继续改善这种新技术的空间分辨率，并使其能够适应更加广泛的细胞类型，但目前他们已经将这种方法和相关软件免费提供给了其它实验室；研究人员希望这种新型的DNA测序方法能够改变人们思考研究基因组结构的方式，并于未来能够帮助阐明在多种背景下基因组组装的模式和所产生的后果。

参考资料：

Andrew C. Payne，Zachary D. Chiang，Paul L. Reginato, et al. In situ genome sequencing resolves DNA sequence and structure in intact biological samples Science 31 Dec 2020: eaay3446. DOI:10.1126/science.aay3446

New approach reveals genomes' sequence and structure directly within cells

by Jennifer Michalowski, Broad Institute of MIT and Harvard