王思远团队呈现在体核小体动态成像技术

染色质是真核生物细胞中的重要遗传物质,它在细胞核内的三维折叠与复制、转录等生命科学基本过程密切相关。染色质在细胞核内如何折叠是分子、细胞生物学数十年来持续关注的重要问题。目前观点认为,纳米尺度的DNA首先缠绕包裹在组蛋白上,形成大约直径10nm的“珠状”核小体,核小体继而折叠成“串珠状”的染色质纤维,后者会折叠形成染色质环(loops),染色质拓扑结构域(topologically associating domains, TADs),A和B 区室(compartments)等高级结构。此外,染色质在细胞核内的空间分布也遵循一定规律。有些染色质区域倾向于分布在核仁,核纤层附近,形成转录不活跃的异染色质。那么,染色质的三维折叠和核内分布在不同种类细胞中有何变化?这些结构和分布与基因表达调控有何关联?不同尺度的结构和分布之间是否依循一定的规律?传统的实验技术无法直接描绘单细胞中染色质的三维折叠,也无法同时观测染色质折叠、分布和基因表达。这使得传统技术无法直接有效地回答以上问题。

为了研究染色质在细胞核内的折叠,耶鲁大学医学院遗传学系和细胞生物学系的王思远教授曾发明了基于超分辨连续复合成像的染色质描绘技术【1】。该技术第一次直接描绘了人类单个细胞中20,21,22和X染色体的三维折叠,并发现了染色质A和B区室呈现“肩并肩”的极化分布特点。

在此基础上,2020年6月9日,王思远团队在Nature Communications杂志上发表文章Multiplexed imaging of nucleome architectures in single cells of mammalian tissue。该文章研发了名为Multiplexed Imaging of Nucleome Architectures(MINA)的技术,在老鼠胚胎时期的肝脏组织原位研究染色质结构和单细胞基因表达,首次同时探测发现了哺乳动物中细胞类型特异的启动子和增强子互作、染色质A和B区室化特征,以及染色质在核仁和核纤层的附着,首次实现了单细胞中多维度多尺度的染色质空间折叠与分布的描绘。

该MINA技术成功开发了多尺度染色质描绘,使其与探测多种RNA的MERFISH技术【2】相结合,并通过Fibrillarin(核仁纤维蛋白)免疫荧光染色和DAPI染色描绘核仁和细胞核的构象。在染色质描绘方面,该研究描绘了小鼠胚胎肝组织切片中数万个单细胞的第19号染色体的大尺度折叠,与脂代谢有关的Scd2基因转录起始位点上游100kb区域在5kb分辨率下的精细折叠,以及所有被探测的基因组位点与核仁、核纤层的位置关系;同时,在单细胞基因表达分析方面,该研究运用MERFISH探测了以上数万个单细胞中55种细胞类型标记基因和82个位于第19号染色体上的基因的表达,成功区分出了肝组织中的7种细胞类型。

该研究通过MINA技术发现了老鼠胚胎肝脏组织细胞类型特异性的染色质空间折叠与分布。首先,Scd2是肝细胞(hepatocyte)的标记基因之一,MINA发现其顺式作用原件存在肝细胞特异的启动子和增强子互作。其次,19号染色体A和B区室化也存在细胞特异性,A和B区室化在不同细胞类型中的转变与基因表达变化有关。此外,染色质在核仁和核纤层的附着也有着细胞类型特异性。这些发现首次揭示了染色质三维结构在哺乳动物组织不同细胞类型中的多样性,及其与基因表达调控的关联。

MINA技术还揭示了不随细胞类型变化的、固有的染色质折叠分布规律。首先,同人类细胞相似,染色质A和B区室化在老鼠胚胎肝脏组织中普遍存在“肩并肩”的极化特征,而且该特征不取决于B区室是否附着于核仁或核纤层。其次,具有很强A区室和B区室特征的染色质倾向于分布于染色体的表面,而较弱的A区室和B区室染色质倾向于分布在染色体区域的内部。作者们进一步应用了蒙特卡洛建模来模拟染色质折叠,并发现相同区室内染色质的互作和染色质与周边环境的互作两者对于建立染色质的折叠特征都至关重要。

MINA技术是一项能被广泛应用于组织切片的,研究单细胞染色质折叠和分布以及基因表达的技术。该技术首次呈现了哺乳动物中原位染色质折叠与分布的多样性,发现了染色质折叠与基因表达调控的重要关联,归纳了染色质三维结构的内在规律,对研究疾病和发育等生命过程有潜在的巨大优势和应用价值。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16732-5.pdf
1. Chen, K.H., et al., Spatially resolved, highly multiplexed RNA profiling in single cells. Science, 2015. 348.

2. Wang, S., et al., Spatial organization of chromatin domains and compartments in single chromosomes. Science, 2016. 353: p. 598-602.

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