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Science: 庄小威的单分子成像技术

 


3月15日,小威和87少同班同学见面时称:最棒的成果是下一个。

在单个细胞中了解转录组的表达谱和空间景观,是全面认识细胞行为的基础。日前,著名学者庄小威(Xiaowei Zhuang)领导研究团队在Science杂志上发表了一项突破性的单分子成像技术,MERFISH(multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization)。该技术可以在单细胞水平上实现空间分辨的高度多重化RNA分析,打破了目前的技术限制。

庄小威是著名的华裔女科学家,早年毕业于中国科技大学少年班,34岁时成为了哈佛大学的化学和物理双学科正教授,是哈佛物理系和化学系少有的双科教授。2012年庄教授当选为美国国家科学院院士,刷新了美国科学院最年轻华人院士的纪录。她所研发的超高分辨率技术STORM与诺奖得主Eric Betzig的成果不相伯仲,却和2014年的诺贝尔化学擦肩而过。

系统性分析单细胞的RNA丰度和空间定位,有助于我们理解细胞和发育生物学的许多方面。单分子荧光原位杂交(smFISH)是在单细胞中研究RNA拷贝数和空间定位的有力武器。这种技术能够高分辨地分析RNA分布,为人们揭示了RNA亚细胞定位在生物学过程中的重要性,比如细胞迁移、发育和极化。smFISH还可以精确测定特定RNA的拷贝数(无扩增偏好),让人们能够定量基因表达的天然波动,进而阐明这种波动的调控机制。

随着成像技术和分析方法的进步,smFISH检测已经实现了自动化,大大拓展了我们对RNA表达谱及其空间定位的认识。不过,smFISH目前只能在单细胞中同时检测10-30种RNA,这无疑限制了这种技术的进一步应用。

庄教授等人开发的MERFISH是一个高度多重化的smFISH成像方法,可以在单个细胞中鉴定数千种RNA的拷贝数和空间定位。他们使用组合标签、连续成像等技术来提高检测通量,还通过error-robust编码方案,来抵消单分子标记和检测错误。

研究人员用MERFISH技术对数百个细胞进行了分析,在单细胞中同时成像100-1000种RNA。他们还通过相关分析绘制了基因调控网络,预测了基因功能,鉴定了与蛋白属性有关的RNA分布模式。

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