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Nature Cell Biology | 活細胞動態RNA成像技術

來源：時間：2022-12-27 10:46:03 瀏覽：6724次

研究RNA成像技術的原因是什么呢？眾所周知，從DNA到蛋白質的轉變是以RNA為中心的一個復雜的、多階段的過程，轉錄后，RNA分子開始進行剪接、定位、翻譯和降解，這些步驟在空間和時間領域中都是高度協調和嚴格調控的，細胞內RNA的可視化技術能夠幫助我們更加深入地研究代謝的過程。近期，美國加州大學圣地亞哥分校華裔科學家Gene W. Yeo在Nature cell biology 雜志上發表了一篇名為“Illuminating RNA biology through imaging”的綜述文章，他帶領我們回顧了RNA成像的發展歷程以及各種成像技術在RNA代謝中的作用，并對RNA成像的趨勢進行了討論與展望。

RNA成像技術在固定細胞和活細胞中都在快速發展。在固定細胞中，目前的方法已經取得了高通量的成像，并能夠定位和定量整個轉錄組的表達水平；在活細胞中，成像是低通量的，這個限制是由于每種顏色只能對應一種基因，但活細胞RNA成像的優勢是通過成像分辨率的提高能夠加深我們對RNA代謝動態的理解。
在固定細胞中，對于單分子的RNA成像，包括熒光原位雜交（FISH），滾環擴增（RCA-FISH），RNAscope，雜交鏈反應(HCR)-FISH和交換反應(saber)-FISH。1982年，Singer和Ward，通過結合的肌動蛋白信使RNA(mRNA)與2‘-脫氧尿苷-5’-三磷酸(dUTP)的DNA探針結合，首次證明了熒光原位雜交(FISH)。1998年，利用互補DNA(cDNA)寡核苷酸合成了單分子FISH(smFISH)。2008年，該方法被進一步改進，通過用48個DNA探針探測每個mRNA，每個探針都標記為單熒光色素，以單分子分辨率檢測mRNA。滾環擴增(RCA)-FISH的原理是先雜交并將掛鎖探針連接到特定的mRNA靶點，然后擴增掛鎖探針。
在smFISH和RCA-FISH的基礎上，為了進一步提高檢測效率，提高亮度，降低總體成本。各個科研團隊陸續開發了RNAscope，雜交鏈反應(HCR)-FISH和交換反應(saber)-FISH。RNAscope利用了多個平行的一級、二級和三級DNA寡核苷酸探針。雜交鏈反應(HCR)-FISH8和交換反應(saber)-FISH9分別用發夾探針和串聯體放大初級探針，再沿初級探針鋪設熒光二級探針。
在固定細胞中，對于多路RNA成像，主要包括組合FISH和原位測序。組合FISH為每個獨特的RNA目標分配一個“光譜條形碼”，條形碼中的每個位在特定的一輪成像中對應于一個特定的熒光色素，增加條形碼中的位數，可以指數級地增加可以檢測到的唯一轉錄本的數量，MERFISH和seqFISH的后續開發都能夠檢測到10000個獨特的RNA靶點。2013年，原位測序(ISS)技術利用RCA-FISH和連接測序(SBL)來擴增和讀取條形碼，并確定靶mRNA的位置。隨著探針設計的改進，導致了一個新的條形碼系統——基于雜交的ISS(HybISS)，這種新方法改進了RNA轉錄的空間檢測。熒光原位RNA測序(FISSEQ)嘗試對所有RNA進行無偏不倚的單分子測量。FISSEQ不是與掛鎖探針雜交，而是與隨機六聚體引物雜交。在多路RNA成像方法中，一個很有前景的新思路是使用在空間條形碼載玻片上捕獲的RNA。例如，最近開發的Seq-Scope利用下一代測序(NGS)化學，從捕獲的RNA中生成簇僅為0.5-0.8μm。

表1.目前固定細胞中RNA成像方法的比較

活細胞中RNA的成像分為外源性成像和內源性成像。活細胞的外源性成像包括熒光標記的RNA，RNA莖環系統和熒光生成的RNA三類技術。1997年，Glotzer和他的同事將熒光標記的RNA微注射到果蠅卵母細胞中，以研究其短程和長程運輸。1998年，Singer和他的同事開發了RNA莖環系統，以可視化釀酒酵母中定位于芽尖的ASH1mRNA。該系統由兩個質粒組成，其中一個質粒編碼一種綠色熒光蛋白(GFP)，與單鏈RNA噬菌體衣殼蛋白MS2的編碼序列融合，也稱為MS2外殼蛋白(MCP)。第二個質粒表達一個報告基因RNA，其中包含一個目標蛋白的編碼序列，然后是6個MS2結合位點(MBSs)。除MS2外，還出現了其他RNA莖環系統，包括PP7、λN、U1A和BglG。在這些系統中，莖環的長度從15到29個核苷酸不等，其蛋白質結合伙伴的大小從22到129個氨基酸，MS2/PP7系統相對抗光漂白，MS2系統可以通過基因整合到內源性基因中，以研究活鼠腦組織中的mRNA動態。2011年，Jaffrey和同事報道了一種模仿GFP的RNA適配體。在GFP中，這三個殘基Ser65-Tyr66-Gly67形成了一個熒光團結構，4-羥基苯甲基咪唑啉酮(HBI)。基于這一原理，作者通過指數富集(SELEX)對配體進行了系統進化，發現了一種RNA適配體，它可以包裹HBI，導致熒光。這三種方法是最早在活細胞中可視化RNA的方法之一，并闡明了RNA生物學的多個方面，但這些系統的一個缺點是無法成像內源性的、非轉基因的mRNA。
活細胞的內源性成像包括化學合成探針和基因編碼的探針。1996年，Tyagi和Kramer發明了一種名為“分子信標”的單鏈寡核苷酸探針，雜交后在目標RNA時發出熒光，這就是分子信標探針。另一種可視化內源性RNA的系統涉及在RNA合成過程中將熒光標記的dUTP合并到RNA中，該系統的一個局限性是因為熒光標記的dUTP可以整合到任何RNA中，所以它不能跟蹤特定的RNA。關于基因編碼探針，2016年，作者的實驗室團隊證明，通過RCas9與GFP融合，在活細胞中的RNA跟蹤是可能的。2017年，Zhang和他的同事證明了Cas13a可以被設計成靶向哺乳動物RNA，并展示了催化活性Cas13a(dCas13a)與GFP融合的活細胞RNA成像。圖1.亞細胞RNA成像技術發展史

RNA成像技術的進展增加了我們對RNA整個功能生命周期（轉錄、剪接、定位、翻譯和降解）的理解。在轉錄階段，使用MS2系統的活細胞RNA成像可以檢測多種轉錄特性，亞細胞RNA成像不僅可以回答轉錄過程中的關鍵問題，并且轉錄位點活細胞RNA成像的技術可以促進我們理解轉錄機制。在剪接階段，從時間尺度上，剪接的時間在20秒到幾分鐘不等，RNA的剪接是選擇性剪接，將其進行成像，可以有助于理解選擇性剪接在亞細胞定位中的精確作用。在定位階段，RNA定位錯誤與多種神經退行性疾病有關，轉錄組測序研究已經確定了這些定位錯誤的mRNA。空間轉錄組學和活細胞RNA成像的出現使我們有了在更高的空間和時間分辨率下研究mRNA錯誤定位的能力。在翻譯階段，活細胞成像可以理解翻譯的時間動態，而固定細胞RNA成像可以在更廣泛的范圍內研究翻譯動態。結合smFISH和o-丙炔-嘌呤霉素的新生蛋白染色顯示，腸上皮細胞的整體mRNA定位發生極化，導致翻譯效率的極化。在降解階段，降解被認為是一種誘導和維持RNA定位的機制。在rnp中運輸的mRNA通常被保護不降解，確保正確傳遞到目的地。未來具有高時空分辨率的研究工具將有助于闡明RNA降解和定位之間的相互作用。圖2.RNA成像技術在生命科學領域帶來的多個亮點

隨著固定細胞的mRNA成像已經從單一靶點發展到轉錄組規模，成像速度和圖像分析仍然是亞細胞mRNA定位研究的瓶頸。人工智能在自動化細胞分割、RNA定位分配和斑點檢測和跟蹤方面的努力，將進一步推動我們目前對RNA定位的理解。除了擴大mRNA種類的數量外，成像內源性小RNA，如miRNA和RNA異構體的能力將大大提高我們對亞細胞分辨率下的RNA生物學的理解。RNA的加工不僅涉及RNA，還涉及DNA和蛋白質，將RNA成像與DNA和RBP成像相結合，將極大地提高我們對RNA生物學的理解，回答諸如染色體組織如何影響基因表達以及RNPs如何形成和組織等問題。此外，與高通量篩選研究的整合，如大規模RBP-RNA相互作用和CRISPR篩選，也將擴展我們的工具箱，以探索多維度的RNA。圖3.RNA生物學多維方法的展望。

教授介紹：

Gene W. Yeo

Gene W. Yeo博士，是加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的細胞和分子醫學教授，基因組醫學研究所的創始成員，UCSD干細胞計劃和摩爾斯癌癥中心的成員。Yeo博士是一位計算和實驗科學家，為RNA生物學和治療學做出了貢獻。他的主要研究興趣是了解RNA加工的重要性以及RNA結合蛋白（RBP）在發育和疾病中的作用。他的實驗室開創了人類疾病相關系統中的計算算法和實驗方法，以進行系統和大規模的研究。Yeo博士撰寫了160多篇同行評審的出版物，包括神經變性，RNA處理，計算生物學和干細胞模型領域的特邀書籍章節和評論文章；并擔任兩本關于RNA結合蛋白生物學的書籍的編輯。
參考文獻：
Le, P., Ahmed, N. & Yeo, G.W. Illuminating RNA biology through imaging. Nat Cell Biol 24, 815–824 (2022).

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