科学研究

【科技自立自强】西安交大赵永席教授团队
在单细胞核酸表观修饰分析领域取得重要进展

来源：交大新闻网日期：2024-11-14 16:30 浏览量：

近日，西安交通大学生命学院生命分析化学与仪器研究所赵永席教授团队在国际权威期刊《自然-实验手册》（Nature Protocols）发表题为《DNA编码扩增成像方法可视化单细胞表观遗传修饰及其空间邻近》（Visualizing epigenetic modifications and their spatial proximities in single cells using three DNA-encoded amplifying FISH imaging strategies: BEA-FISH, PPDA-FISH and Cell-TALKING）的实验方法论文，系统阐述了基于DNA编码识别的三种单细胞核酸表观修饰多层次特征分析策略。

核酸（包括DNA与RNA）和蛋白质是细胞中最重要的两种生物大分子。在DNA复制、RNA转录后，核酸中的某些碱基会被共价修饰上甲基、羟甲基、醛基等基团。大多数核酸修饰不会影响经典的沃森-克里克碱基配对（A:T、A:U和C:G），但它们可以通过多种方式，调控核酸构象、组装与功能，影响基因表达，因而被称为表观遗传修饰（epigenetic modifications）。类似的，蛋白质也会在翻译合成后，发生相应的表观遗传修饰。另一方面，在高度拥挤的细胞环境内，生物大分子及其复合物在空间上存在复杂、多样的组成分布。特别是在细胞核内，染色质以约10 nm的核小体为基本单元，由核酸（DNA、RNA）与各种蛋白质组成；其核酸修饰（Nucleic acid modification, NAM）和蛋白翻译后修饰（Post-translational modification, PTM）不仅丰度较低，而且存在纳米尺度上的空间邻近关系。纳米空间内（如半径10 nm范围）复杂的染色质组成（我们定义为染色质纳米环境），可能在细胞生命过程中扮演着多种角色，发挥重要的调控作用。表观修饰的种类及其复杂空间邻近等多层次特征，在不同细胞个体中可能呈现显著的差异。因此，探究表观修饰多层次特征，对于理解染色质复杂组成、构象及调控机制等具有重要意义。

近十年来，高通量测序方法已被广泛用于检测核酸修饰的全基因组序列分布，对阐明其生物功能与疾病关联作出了巨大贡献。但是这些测序方法不能检测单细胞核酸修饰的丰度水平及其亚细胞分布，也无法测量核酸修饰的空间邻近特征。围绕上述科学难题，赵永席教授团队前期开展了系统性研究，结合化学酶法标记、动态DNA纳米技术以及微流控单细胞技术，提出了DNA编码识别分析新策略，建立了系列单细胞核酸修饰扩增成像方法，准确测量单细胞核酸修饰多层次特征，为单细胞水平解析生命过程与疾病进程中的核酸修饰信息奠定方法学基础。相关研究论文已在《自然-通讯》（Nature Communications）、《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）、《核酸研究》（Nucleic Acids Research）和《分析化学》（Analytical Chemistry）等期刊发表。

基于前期系统工作基础，团队利用相应的DNA编码反应将非序列靶标特征转化为相应的DNA条形码，后者触发原位扩增反应，发展了DNA编码扩增FISH（DNA-encoded amplifying FISH, DEA-FISH）的实验方法，实现高灵敏高特异的荧光成像。第一种方法是碱基编码扩增FISH（Base-encoded amplifying FISH, BEA-FISH），能够可视化定量单细胞中低丰度的核酸修饰位点。其次是成对邻近分化扩增FISH（Pairwise proximity-differentiated amplifying FISH, PPDA-FISH）实现了同时可视化邻近的两种表观遗传修饰（“1:1”邻近）和非邻近或残留的位点。最后是细胞内大分子锚定的DNA步移索引技术（Cellular macromolecules-tethered DNA walking indexing, Cell-TALKING）能够可视化一个生物大分子邻近的多个表观遗传修饰位点（“1:N”邻近）。该研究为探究染色质纳米环境的复杂组成、生物功能及调控机制奠定了检测方法学基础。通过探测10 nm半径内染色质修饰纳米环境，发现了5hmC和5hmU两种修饰可作为标志物区分肿瘤细胞与正常细胞，揭示了细胞周期过程中染色质纳米环境的动态变化，实现了临床肺癌患者细胞样品中染色质纳米环境的分析检测。该论文对三种单细胞编码扩增成像方法作了系统描述，实现了单细胞核酸修饰多层次特征的原位解析。