一种新的成像技术：研究人员捕捉到人类基因如何折叠和工作

该技术是研究基因形状的最全面的技术。新技术“就像从哈勃望远镜升级到詹姆斯韦伯望远镜一样”。一种新的成像技术以前所未有的细节捕获了人类基因组的三维结构，显示了单个基因如何在核小体水平上折叠，核小体是构成基因组三维结构的基本单位。

该技术由位于巴塞罗那的基因组调控中心（CRG）和生物医学研究所（IRB Barcelona）的研究人员创建，将高分辨率显微镜与复杂的计算机建模相结合。这是迄今为止研究基因形状的最全面的技术。

这项新技术使研究人员能够创建和数字导航基因的三维模型，不仅可以查看它们的结构，还可以看到有关它们如何移动或灵活性的信息。了解基因的功能可能有助于我们更好地了解它们如何影响人体的健康和疾病，因为几乎每种人类疾病都有一定的遗传基础。

使用传统显微镜（左）可视化NANOG基因的结构（显示为明亮的绿色斑点）与使用MiOS进行成像的比较，后者可以对单个基因进行成像。MiOS的分辨率大约提高了十倍，并且还详细说明了使用传统方法无法识别的结构的关键方面。

科学家们最终将能够利用这些知识来预测当出现问题时基因会发生什么，例如对导致疾病的基因结构差异进行编目。该方法可能用于测试改变异常基因形状的药物，有助于开发针对各种疾病的新疗法。

该技术是用于研究生物体的成像技术的下一次演变，该技术始于四百多年前显微镜的创造。这些在促进医学和人类健康方面发挥了至关重要的作用，例如，罗伯特·胡克（Robert Hooke）首次使用它们来描述细胞，后来圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）用它来识别神经元。尽管取得了巨大的进步，但光学显微镜的局限性早在1873年就很明显，研究人员规定其最大分辨率不能超过0.2微米。

这种物理极限在21世纪随着超分辨率显微镜的创建而得到克服，这一突破于2014年获得诺贝尔化学奖。使用荧光，研究人员扩展了光学显微镜的极限，并在20纳米处捕获了事件，这一壮举揭示了生命如何在前所未有的分子尺度上运作。

显示基因如何在 3D 中折叠的 MiOS 模型示例。这揭示了某些区域是如何被压缩的，而另一些区域是如何被拉伸的，更容易进入。

超分辨率显微镜改变了生物医学研究的进程，使科学家能够追踪各种疾病中的蛋白质。它还使研究人员能够研究调节基因表达的分子事件。科学家们现在希望在这项技术的基础上，通过添加更多的信息层来更进一步。

研究人员假设，采用超分辨率显微镜并将其与先进的计算工具相结合，可能是在研究其形状和功能所需的详细水平上对基因进行成像的一种方式。一个跨学科的科学家团队分享了他们的专业知识，并创造了一种名为Modeling immuno-OligoSTORM（简称Mio）的新技术。

这两个研究小组作为巴塞罗那科学技术研究所（BIST）Ignite Call的一部分进行合作，该呼吁促进了不同科学领域之间的知识交流，并探索了解决复杂问题的新方法。

“我们的计算建模策略整合了来自DNA测序技术和超分辨率显微镜的数据，以超出核小体大小的分辨率提供基因3D形状的基本图片（或电影），达到详细理解染色质与其他细胞因子之间相互作用所需的尺度，”该研究的共同第一作者，IRB巴塞罗那博士后研究员Juan Pablo Arcon博士说。

作为概念验证，研究团队使用MiOS提供了关于关键管家和多能基因的位置，形状和压实的新见解，揭示了仅使用传统技术无法捕获的新结构和细节。研究结果发表在《自然结构与分子生物学》杂志上。该研究的通讯作者包括CRG的ICREA研究教授Pia Cosma和IRB巴塞罗那的Modesto Orozco教授，以及Pablo Dans，他曾是IRB巴塞罗那的研究员，现在在共和国大学（乌拉圭）和蒙得维的亚巴斯德研究所。

“我们表明，MiOS通过帮助研究人员虚拟地导航基因内部，揭示它们如何以全新的规模组织，从而提供了前所未有的细节。这就像从哈勃太空望远镜升级到詹姆斯韦伯，但我们将探索人类核心内部最远的地方，而不是看到遥远的恒星，“Vicky Neguembor博士说，他是该研究的共同第一作者和CRG的研究员。

虽然许多基于基因组的研究已经改变了我们诊断、治疗或预防疾病的方式，但MiOS的影响是长期的。通过揭示基因如何工作以及它们如何在纳米尺度上受到调节，该技术将使科学实验室的新发现成为可能，其中一些最终可能会转化为临床实践。

研究团队已经通过探索对人类发展很重要的基因来使用Mio。该团队还将继续进一步开发Mio，增加额外的功能，例如可以检测转录因子 - 参与将DNA转化为RNA的过程的蛋白质 - 如何与DNA结合。