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纳米级显微技术使科学家能够精确定位大脑中的RNA分子

2019-01-19 09:27:52 • 来源：

细胞含有数千个信使RNA分子，其携带DNA遗传指令的拷贝到细胞的其余部分。麻省理工学院的工程师现在已经开发出一种方法，可以比以前在完整组织中更高的分辨率可视化这些分子，使研究人员能够精确地绘制RNA在整个细胞中的位置。

纳米级显微技术使科学家能够精确定位大脑中的RNA分子

新技术的关键是在成像前扩张组织。通过使样品在物理上更大，可以使用研究实验室中常见的普通显微镜以非常高的分辨率成像。“现在我们可以通过扩展过程以极高的空间精度对RNA进行成像，并且我们也可以在大的完整组织中更容易地做到这一点，”麻省理工学院生物工程和脑与认知科学副教授Ed Boyden说。麻省理工学院媒体实验室和麦戈文脑研究所的成员，以及2016年7月4日出版的“ 自然方法 ”一文中描述该技术的论文的高级作者。

研究细胞内RNA的分布可以帮助科学家更多地了解细胞如何控制其基因表达，并且还可以让他们研究被认为是由于RNA移动到正确位置而导致的疾病。

Boyden及其同事去年首次描述了基础技术，称为扩展显微镜(ExM)，当时他们用它来对大脑组织样本中的蛋白质进行成像。在7月4 日出现在Nature Biotechnology上的一篇论文中，麻省理工学院的团队现在推出了一种新技术，该技术采用了现成的化学品，使研究人员更容易使用。

麻省理工学院的研究生Fei Chen和Asmamaw Wassie是Nature Methods论文的主要作者，Chen和研究生Paul Tillberg是Nature Biotechnology论文的主要作者。

一个更简单的过程

最初的膨胀显微镜技术基于将组织样品嵌入聚合物中，当加入水时该聚合物膨胀。这种组织扩大使研究人员能够获得分辨率约为70纳米的图像，这在以前只能用非常专业和昂贵的显微镜才能实现。然而，该方法提出了一些挑战，因为它需要产生复杂的化学标签，该抗体由靶向特定蛋白质的抗体组成，其与荧光染料和化学锚相连，所述化学锚将整个复合物附着到称为聚丙烯酸酯的高吸收性聚合物上。一旦目标被标记，研究人员就会分解将组织样本保持在一起的蛋白质，使其在聚丙烯酸酯凝胶溶胀时均匀膨胀。

在他们的新研究中，为了消除对定制设计标签的需求，研究人员在消化前使用不同的分子将目标固定在凝胶上。这种分子，研究人员称之为AcX，已经商业化，因此使这一过程更加简单。

可以修饰AcX以将蛋白质或RNA锚定到凝胶上。在自然生物技术研究中，研究人员用它来锚定蛋白质，他们还表明该技术可用于以前用荧光抗体或蛋白质如绿色荧光蛋白(GFP)标记的组织。“这可以让你使用完全现成的部件，这意味着它可以很容易地集成到现有的工作流程中，”蒂尔伯格说。“我们认为，与原始ExM相比，人们使用该技术会显着降低障碍。”

使用这种方法，使用光片荧光显微镜扫描500至200微米的组织片大约需要一个小时。研究人员表明，这种技术适用于许多类型的组织，包括脑，胰腺，肺和脾。

成像RNA

在“自然方法”论文中，研究人员使用了相同类型的锚定分子，但将其修改为靶向RNA。样品中的所有RNA都锚定在凝胶上，因此它们在整个消化和扩增过程中都保持在原始位置。

在组织扩张后，研究人员使用称为荧光原位杂交(FISH)的过程标记特定的RNA分子，该过程最初是在20世纪80年代早期开发的并且被广泛使用。这使研究人员能够在大型组织样本中以三维高分辨率可视化特定RNA分子的位置。

这种增强的空间精确度可以让科学家们探索有关RNA如何促进细胞功能的许多问题。例如，神经科学中一个长期存在的问题是神经元如何迅速改变其连接的强度以存储新的记忆或技能。一种假设是编码可塑性所必需的蛋白质的RNA分子存储在靠近突触的细胞区室中，并在需要时准备翻译成蛋白质。

使用新系统，应该可以准确确定哪些RNA分子位于突触附近，等待翻译。“人们已经发现了数百种本地翻译的RNA，但很难知道它们到底在哪里以及它们在做什么，”陈说。“这项技术对于研究这种技术很有用。”

博伊登的实验室也有兴趣使用这项技术追踪神经元之间的联系，并根据他们所表达的基因对神经元的不同亚型进行分类。

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