研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，使他們能夠同時(shí)在空間水平和全基因組水平上觀察組織發(fā)育的表觀遺傳機(jī)制，這是多種科學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的突破。

雖然目前的技術(shù)允許科學(xué)家檢查組織中的表觀遺傳信息，并且最近的突破進(jìn)一步擴(kuò)展到單個(gè)細(xì)胞水平，但目前還不可能在具有細(xì)胞分辨率的組織中直接觀察它們。這是一個(gè)關(guān)鍵障礙，因?yàn)榧?xì)胞在組織中的組織方式與它們的功能之間存在著密切的聯(lián)系。在《 科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，一組研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了與發(fā)育和疾病相關(guān)的表觀遺傳調(diào)控的空間映射。該研究由耶魯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授和耶魯醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教授范榮領(lǐng)導(dǎo)，與瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡學(xué)院的研究人員合作完成。

我們都從單個(gè)細(xì)胞中的相同遺傳物質(zhì)開始，但該細(xì)胞迅速繁殖成數(shù)萬億個(gè)不同的細(xì)胞。每個(gè)細(xì)胞都有相同的基因組，但不同之處在于哪些基因被激活或抑制。胚胎中不同的化學(xué)表觀遺傳修飾引導(dǎo)發(fā)育——打開某些基因，關(guān)閉其他基因——并允許形成不同的器官。表觀遺傳學(xué)是調(diào)節(jié)這些基因表達(dá)的東西。在他們的研究中，研究人員專注于最重要的表觀遺傳變化之一，即組蛋白修飾。

“控制細(xì)胞類型和組織發(fā)育的潛在機(jī)制是什么?” 范說。“這就是我們現(xiàn)在能夠通過這項(xiàng)新技術(shù)——spatial-CUT&Tag 看到的東西。“這是我們第一次可以看到哪些組蛋白修飾直接在組織中控制全基因組基因表達(dá)，以及它們是如何做到的——它為這個(gè)新興的空間生物學(xué)領(lǐng)域增加了一個(gè)全新的維度。”

其他技術(shù)允許分析單個(gè)細(xì)胞中的表觀遺傳修飾，但不能在其組織內(nèi)進(jìn)行。能夠在完整的背景下跟蹤它們提供了關(guān)于細(xì)胞組織、組織發(fā)育和疾病的寶貴見解。共同作者、卡羅林斯卡學(xué)院神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞生物學(xué)教授 Gonçalo Castelo-Branco 指出，該技術(shù)提供了有關(guān)組織切片中哪些基因被打開和關(guān)閉的信息。

“這提供了很多額外的信息——例如，為什么神經(jīng)細(xì)胞是神經(jīng)細(xì)胞?” 他說。“以前，你可以逐個(gè)細(xì)胞地檢查，但是你會(huì)丟失所有關(guān)于細(xì)胞在哪里以及它們可能如何相互作用的信息。有了這項(xiàng)技術(shù)，我們現(xiàn)在也有了空間位置。此外，您可以在該位置確定所有這些表觀基因組信息，這是該技術(shù)真正令人驚嘆的方面之一。”

具體來說，研究人員研究了小鼠胚胎和出生后大腦中染色質(zhì)的修飾，染色質(zhì)是包裹每個(gè)細(xì)胞 DNA 并控制其進(jìn)入的材料。已經(jīng)表明，特定的組蛋白修飾可以在胚胎階段控制大腦的不同皮質(zhì)層，但尚不清楚它們在出生后是否具有相同的功能。

“所以現(xiàn)在這是我們第一次在出生后的大腦中直接看到這些表觀遺傳特征，”范說。“我們可以說，‘哇，實(shí)際上這些表觀遺傳特征是按條紋組織的，對(duì)應(yīng)于小鼠大腦的皮質(zhì)層。’ 這意味著它們可能正在控制或維持這些層的形成。”

研究人員通過設(shè)計(jì)具有多個(gè)微通道的微流體裝置創(chuàng)建了他們的技術(shù)，這些微通道用于將 DNA 條形碼傳遞到存在表觀遺傳修飾的基因組 DNA 中。該研究的主要作者、范榮實(shí)驗(yàn)室的博士后鄧彥翔表示，研究人員可以通過計(jì)算方法檢索基因組 DNA 并重建空間位置。如果基因組 DNA 上存在組蛋白修飾，則標(biāo)記的 DNA 條形碼與該組蛋白修飾相關(guān)聯(lián)，從而使研究人員能夠在組織中定位表觀遺傳信息。

空間-CUT&Tag 技術(shù)為近年來開發(fā)的 CUT&Tag 技術(shù)增加了一個(gè)額外的維度，使研究人員能夠逐個(gè)像素地獲得極其精確的信息。該技術(shù)使研究人員能夠在組織切片的每個(gè)細(xì)胞上放置一個(gè)標(biāo)識(shí)符——如 GPS 坐標(biāo)。

“有了它，你可以重建組織圖，”Castelo-Branco 說。“它能夠?yàn)榻M織切片中的每個(gè)像素放置一個(gè)坐標(biāo)，然后你可以回去說‘好的，這就是這個(gè)組蛋白修飾存在的地方，在這個(gè)特定的基因中，在這個(gè)特定的細(xì)胞或細(xì)胞群中'”

從長遠(yuǎn)來看，研究團(tuán)隊(duì)希望該技術(shù)將被用于更好地了解疾病的發(fā)展。

“表觀遺傳藥物現(xiàn)在正在興起，因此我們有可能開發(fā)針對(duì)這些表觀遺傳機(jī)制的藥物，”范說。“擁有了解不同疾病狀態(tài)表觀遺傳起源的工具可以開辟一條全新的治療途徑。”

研究人員強(qiáng)調(diào)，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用范圍。

“這是一個(gè)起點(diǎn)，它將允許在不同組織上進(jìn)行許多其他類似的發(fā)現(xiàn)，”Castelo-Branco 說。