Новая прорывная технология позволяет ученым визуализировать 10 421 ген одновременно в отдельных клетках.
Работа была выполнена в лаборатории Лонг Цая, профессора-исследователя в области биологии и аффилированного преподавателя Института неврологии Тяньцяо и Крисси Чен в Калифорнийском технологическом институте. Статья с описанием исследования опубликована в номере журнала Cell от 7 июня.
Новый метод, получивший название intron seqFISH (последовательная флуоресцентная гибридизация in situ), представляет собой большой шаг вперед в возможности определения того, что происходит в геноме в сотнях разных клеток одновременно. Ранее исследователи могли визуализировать только четыре-пять генов одновременно в клетках с помощью микроскопии. Эта работа основана на предыдущих достижениях лаборатории Cai, включая более раннюю версию seqFISH от 2014 года и исследование 2017 года, в ходе которого под микроскопом было профилировано более 10 000 генов. Масштабирование seqFISH до уровня генома теперь позволяет визуализировать более 10 000 генов - около половины от общего числа генов у млекопитающих - в отдельных клетках.
Для того чтобы генетические инструкции превратились в реально функционирующий белок, сначала должен произойти процесс, называемый транскрипцией. Этот процесс часто происходит импульсами или «всплесками». Во-первых, ген будет прочитан и скопирован в матричную РНК-предшественник, или пре-мРНК, подобно быстрому черновому наброску. Эта молекула затем созревает в информационную РНК или мРНК, что похоже на редактирование черновика. В процессе «редактирования» из пре-мРНК вырезаются определенные участки, называемые интронами.
Команда решила сосредоточиться на маркировке интронов, потому что они продуцируются так рано в процессе транскрипции, что дает представление о том, что делает клетка в конкретный момент экспрессии гена.
Используя недавно разработанный метод секвенирования интронов, каждый интрон помечен уникальным флуоресцентным штрих-кодом, что позволяет увидеть его под микроскопом. Наблюдение за интронами показывает, какие гены в данный момент включены в отдельных клетках, насколько сильно они экспрессированы и где расположены. 10 421 интрон - и, следовательно, 10 421 ген - могут быть визуализированы одновременно.
Предыдущая работа по разработке метода штрихового кодирования была сосредоточена на маркировке самой мРНК, обеспечивая измерение того, как экспрессия генов менялась в течение нескольких часов по мере развития мРНК. Наблюдение за интронами позволило исследователям впервые изучить так называемые зарождающиеся транскриптомы - недавно синтезированную экспрессию генов. Это привело их к открытию, что транскрипция генов глобально колеблется во многих генах в том, что Цай называет «удивительно коротким» временным масштабом - всего около двух часов - по сравнению со временем, которое требуется клетке для деления и репликации, которое занимает от 12 до 12 часов. до 24 часов. Это означает, что в течение двух часов многие гены в клетке будут включаться и выключаться.
Есть несколько причин, по которым явление осцилляции ранее не наблюдалось. Во-первых, поскольку эти двухчасовые колебания не синхронизированы между разными ячейками, колебания усредняются методами, которые требуют много ячеек. Во-вторых, высокая точность метода seqFISH позволяет исследователям быть уверенными, что то, что они наблюдают, представляет собой реальные биологические колебания, а не технический шум. Наконец, эти двухчасовые колебания не видны при измерении мРНК, а не интронов, потому что молекулы мРНК имеют более длительное время жизни, от трех до четырех часов, в клетках млекопитающих.
Кроме того, поскольку интроны остаются там, где физически расположен ген, флуоресцентная визуализация интронов позволяет исследователям визуализировать, где гены расположены в хромосоме, большой структуре, в которую ДНК складывается в ядре клетки. В этой работе команда с удивлением обнаружила, что наиболее активные гены, кодирующие белок, расположены на поверхности хромосомы, а не скрыты внутри нее.
«Эта техника может быть применена к любой ткани», - говорит Цай, который является соавтором Атласа клеток человека, проекта, целью которого является определение всех типов клеток в организме человека. «Intron seqFISH может помочь идентифицировать типы клеток, а также то, что клетки будут делать, в дополнение к тому, что мы можем взглянуть на структуру хромосом в тех же клетках».