成功实现3nM分辨率的原位DNA蛋白

一个微米级的细胞核中储存着大约2米长的DNA，以及许多RNA和调控蛋白，例如调控特定基因何时激活的转录因子。这些分子在细胞核内的排布与高级结构直接影响细胞核的功能（DNA复制、基因激活等），因此对于生命体的调控至关重要。随着分子以及显微镜技术的进步，我们对细胞核的细微结构有了更多的了解。然而，如何在纳米水平同时观测蛋白、DNA以及RNA的分子排布以及其他纳米结构依然是一个技术难题。年7月6日，耶鲁大学AntonioGiraldez研究组（苗丽云博士与MarkPownall为共同通讯）在Science发表文章Chromatinexpansionmicroscopyrevealsnanoscaleorganizationoftranscriptionandchromatin，解决了上述难题。Chromatinexpansionmicroscopy（ChromExM）基于扩张显微镜原理，通过物理膨胀生物样品来克服光学显微镜的衍射极限，实现超分辨率成像。将生物分子固定并锚定到可扩张水凝胶上，样品在加水时会各向同性扩张。ChromExM可以实现15倍膨胀系数，相当于使样品体积增加了近4,倍，所以在普通共焦显微镜上便可以实现15nm的分辨率以及观察到单个分子。而当与传统的超分辨率成像技术结合时，ChromExM可以实现约3nm的分辨率。重要的是，核内的染色质组织在物理扩张后得到了很好的保存。动物受精后，染色质会经历重编程过程，而且合子细胞核会由转录沉默状态转变为激活状态。为了更好的观察胚胎受精后基因组是如何被激活的，该研究组以斑马鱼早期胚胎为模型，开发了ChromExM。利用这一超分辨率技术，作者们观察到RNA聚合酶II(PolII)呈现不同的独特纳米结构，并发现这些不同的结构可能与不同的基因转录有关。先锋因子可以结合处于关闭状态的核小体DNA，并打开核小体结构，进而促进转录进行。该团队利用ChromExM同时检测了PolII分子以及先锋转录因子Nanog分子的空间分布。他们发现如果抑制转录的延伸，Nanog和PolII的平均距离会缩短。由于抑制转录延伸后PolII会滞留于启动子，而Nanog结合于增强子，作者们猜测转录的抑制使得启动子和增强子的相互作用加强了。然后，他们利用基因组学分析进一步验证了这个猜想。最终，结合现有的Kiss-and-run模型，该团队提出一种Kiss-and-kick的新模型，这一模型不但揭示了转录本身如何导致增强子-启动子的分离，而且可以解释为什么转录表现为爆发式。综上所述，ChromExM使得我们可以在纳米水平观察细胞核内的蛋白，DNA以及RNA。利用此项新技术，该研究组揭示了转录延申对启动子-增强子相互作用的调控机制，这个新的机制有助于我们更加深入的了解基因调控。另外，ChromExM具有广泛的应用前景，既可以应用于其他模式生物，更有助于深入了解细胞核内的各种过程，例如DNA复制、DNA修复、表观遗传修饰、基因组结构等等。原文链接：

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