DNA条形码能够在深层组织中实现高通量RNA和蛋白质检测

对于刘实验室来说，需求才是真正的发明之母。研究人员正在研究基因组的3D组织如何控制发育，并需要对厚组织样本中的数百个RNA分子进行成像，以了解基因在细胞中的表达位置和方式。只有一个问题：没有任何工具可以完成这项任务

一种技术可以对许多RNA分子进行成像，但只能在一层薄薄的细胞中。另一种方法可以在深层组织中成像，但只能在单个样本中检测到三四个分子

因此，HHMI Janelia研究园区的团队决定构建自己的工具。其结果是一种创新的新技术，该技术使用一种新型的DNA条形码系统来跟踪厚生物样本中单个细胞中的数百个RNA和蛋白质分子，为研究人员提供了这些结构在组织内如何组织的全貌。这项研究发表在《科学》杂志上

RNA分子携带来自DNA的指令，用于制造执行活细胞大部分工作的蛋白质。了解这些分子在复杂组织中的位置是了解基因在不同区域和细胞类型中表达的位置和方式的关键部分。这些信息使研究人员能够破译基因在生物体不同部位的功能，它们如何促进发育，以及它们在疾病中如何被改变

研究人员表示，除了在生物学和神经科学中的应用外，这种新方法还可能用于诊断成像

Janelia集团负责人James Liu表示：“我认为这将是一个非常广泛的游戏规则改变者，而不仅仅是我所在领域的人。”。“这是一种为回答一个非常模糊的问题而开发的工具，但我认为所有生物学家都可以在他们最喜欢的样本中使用这项技术。”Janelia的研究人员开发了一种创新的新技术——cycleHCR，该技术使用一种新的DNA条形码系统来追踪厚生物样本中单个细胞中的数百个RNA和蛋白质分子，为研究人员提供了这些结构在组织内如何组织的全貌。这部电影显示了海马切片中八个蛋白质靶点的循环HCR成像，作为联合RNA和蛋白质成像的一部分。来源：Gandin和Kim等人。深度和通量

这种新的成像工具名为cycleHCR，它建立在之前开发的一种称为杂交链式反应（HCR）的技术之上。该技术将多个荧光团组装在一个目标上，当被荧光显微镜成像时，它们像明亮的灯塔一样发光，使研究人员能够看到组织深处单个细胞中的分子

但是HCR受到当前荧光团的限制，由于它们覆盖的光谱很宽，一次只能使用三到四种颜色。这意味着研究人员只能检测到样本中的少数分子，因此很难全面了解它们在组织中的组织方式

为了克服这一点，该团队设计了新的DNA条形码，可以附着在靶标上。就像超市产品上的条形码一样，它指定了商店中每种商品的种类，独特的DNA条形码使研究人员能够标记样本中的每种分子

每个条形码包含两个部分。当两个片段匹配时，目标被HCR技术放大。条形码的两个部分确保标签具有足够的特异性，可以检测到各种类型的RNA分子

条形码的设计也很容易去除，因此可以在同一个样本上进行多轮HCR。第一轮成像使用三个条形码，拾取三种不同颜色的三个RNA分子。这些条形码被移除，第二轮成像使用三个不同的条形码等进行多轮，最终允许在单个样本中发现无限数量的目标

“我们修改了分裂扩增链式反应技术，现在我们在其中添加了条形码，通过这些多轮检测，我们可以检测到数百甚至数千个RNA，”刘实验室的高级科学家Valentina Gandin说，她是这项研究的共同领导人。“条形码是我们在此基础上添加的一种新奇事物。”

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

除了检测RNA外，研究人员还开发了一种使用相同条形码检测蛋白质的方法，使研究人员能够更好地了解RNA和蛋白质在组织中的组织方式

该团队还实现了系统的自动化，使研究人员能够在一天内检测到多达十几种分子物种，而无需不断监测这一过程。此外，博士后科学家Jun Kim是这项新研究的共同第一作者，他开发了分析方法，绘制了基因在空间上的表达位置，并帮助研究人员理解原始数据。刘实验室还与Janelia的科学计算软件支持团队合作，开发了一个自动化管道，用于处理生成的大量成像数据

研究人员与Janelia的其他实验室合作，使用新方法量化小鼠胚胎中的基因表达，在单个样本中量化254个基因。这使研究人员能够表征胚胎中的所有细胞类型，并发现以前未被表征的新细胞类型，这些信息对于理解发育非常重要

这项新技术已经引起了科学界的关注，该团队正在努力使更多的实验室能够使用这项新工具。他们共享了所有的条形码序列，这样其他实验室就可以设计自己的探针，即使他们没有自动化系统。该团队还在构建其原型系统的更精简版本，并计划与科学界共享其自动化平台

刘说：“最终我们希望每个人都能使用它。”。“我们真的希望我们的技术能够广泛传播，使每个科学家都能使用它。”