上海
撰文 | 格格
细胞形态学是细胞研究的基础，传统的显微镜技术通过观察细胞的形状、大小、结构和细胞器来识别不同的细胞类型。细胞核作为细胞中最重要的结构之一，其形态和染色质纹理的异常与多种疾病相关，如癌症和血液疾病【1,2】。然而，随着基因组学和单细胞测序技术的兴起，人们开始关注细胞的基因组和表观遗传信息，这为细胞类型和状态的定义提供了新的视角。然而，现有的表型标记与这些 “-omics” 测量之间的联系尚不清楚，这限制了我们对疾病机制的理解。为了弥补这一空白，研究人员开始探索空间基因组学方法，这些方法能够将显微镜和测序技术相结合，揭示组织中细胞的多样组织方式【3,4】。然而，这些方法主要关注测量细胞分辨率的转录组，而缺乏将核异常与基因组组织变化联系起来的方法。
近日，来自美国哈佛大学干细胞与再生生物学系的Jason D. Buenrostro研究团队在 Science 杂志发表题为
Expansion in situ genome sequencing links nuclear
abnormalities to aberrant chromatin regulation的研究论文，该研究一种名为ExIGS的新型技术，用于解析细胞核形态异常与染色质调控之间的关系，并探索其对疾病发生发展的影响。
首先， 研究人员开发了一种名为ExIGS的新型技术，它结合了原位基因组测序（IGS）和扩展显微镜（ExM）的优势。 ExIGS 允许在单个细胞中同时进行基因组 DNA 测序和超分辨率蛋白质成像，从而实现了对细胞核形态异常与染色质调控之间关系的解析。 为了 验证 ExIGS 技术的有效性。 研究人员 比较了 ExIGS 扩增前后核的形状和位置，发现 ExIGS 能够有效地保持三维核结构，并且具有更高的扩增倍数，从而提高了空间分辨率。此外，与未经扩增的 IGS 相比， ExIGS 显著提高了每个核的测序读数数量，从而提高了基因组分辨率。更重要的是，将ExIGS序列聚类到同源染色体，发现其平均距离与Hi-C数据高度一致，证明了ExIGS能够保留三维基因组结构。
研究人员将 ExIGS 应用于研究早老症成纤维细胞中细胞核形态异常与染色质调控之间的关系。他们发现，在早老症成纤维细胞中，层粘连蛋白异常与异常染色质调控热点相关，这些热点可能与成纤维细胞功能受损有关。通过 ExIGS 和扩展免疫荧光成像，研究人员能够以纳米级分辨率共定位 DNA 和蛋白质，并发现层粘连蛋白异常导致染色质组织在局部热点处发生紊乱，而不是在整个细胞中。
为了进一步研究层粘连蛋白异常对转录的影响，研究人员进行了转录活性分析。他们发现，在早老症成纤维细胞中，层粘连蛋白异常与 TSS 相关的蛋白质（ RNA 聚合酶 II ）富集减 少，表明层粘连蛋白异常与转录抑制相关。研究人员进一步研究了层粘连蛋白异常在其他细胞类型和组织中的存在。他们发现，在心脏组织和衰老成纤维细胞中，观察到类似的层粘连蛋白变异，表明层粘连蛋白变异可能在细胞异质性和转录可变异性中发挥作用。
图一 早老症与正常成纤维细胞中核膜异常破坏染色质空间组织和转录的示意图
总之，该研究开发了一种名为ExIGS的新技术，该技术结合了原位基因组测序和超分辨率成像，可以同时测量单个细胞中基因组DNA和核蛋白的空间分布。该研究强调了核形态在转录调控和细胞异质性中的重要性，并为理解疾病和衰老的机制提供了新的见解。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2781
制版人： 十一
参考文献
1. D. Zink, A. H. Fischer, J. A. Nickerson, Nuclear structure in cancer cells.Nat. Rev. Cancer4, 677–687 (2004) .
2. M. Zwerger, C. Y. Ho, J. Lammerding, Nuclear mechanics in disease.Annu. Rev.Biomed. Eng.13, 397–428 (2011).
3. J.-H. Su, P. Zheng, S. S. Kinrot, B. Bintu, X. Zhuang, Genome-scale imaging of the 3D organization and transcriptional activity of chromatin.Cell182, 1641–1659.e26 (2020) .
4. Y. Takei, J. Yun, S. Zheng, N. Ollikainen, N. Pierson, J. White, S. Shah, J. Thomassie, S. Suo, C. L. Eng, M. Guttman, G.-C. Yuan, L. Cai, Integrated spatial genomics reveals global architecture of single nuclei.Nature590, 344–350 (2021) .
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