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科研新聞

工學院陳匡時課題組在活細胞單分子成像DNA技術領域取得突破性進展

2019-09-05

最近,工學院生物醫學工程系陳匡時課題組基于分子信標(MB)與CRISPR/dCas9 系統成功研制出一種名為CRISPR/dual-FRET MB的新型活細胞基因成像技術。該研究成果已發表于Nucleic Acids Research(《核酸研究》)(IF = 11.147),題目為 CRISPR/dual-FRET molecular beacon for sensitive live-cell imaging of non-repetitive genomic loci”。文章鏈接為:https://doi.org/10.1093/nar/gkz752。

目前,在活細胞中成像基因組主要借助熒光蛋白實現。但是熒光蛋白具有亮度低、光穩定性低等缺點,需要給標記單一基因組位點標記多個熒光蛋白才可實現成像。然而,過度的熒光標記可能會對基因組位點的運動造成影響,因此,目前熒光蛋白方法在成像單基因組位點上的能力有限。許多研究已經表明,有機染料具有比熒光蛋白更高的信號強度與光穩定性,因此,基于有機染料的標記方法有望提高對單基因組位點的成像能力。

陳匡時課題組在先前的研究中已經證實有機染料在活細胞中標記基因組位點的可行性。 所采取的手段是將CRISPR sgRNA進行改造,使其能夠與一種名為分子信標(MB)的寡核苷酸探針互補(CRISPR/MB: Wu X. et al, Nucleic Acids Res. 2018; 46, e80)。由于sgRNA具有高度可改造性,陳匡時課題組最新的工作進一步改造了sgRNA,使其能夠與一對可發生熒光共振能量轉移(FRET) MB互補, 構建出CRISPR/dual-FRET MB (圖1)。由于只有當兩個MB 同時互補于同一個sgRNAFRET信號才能產生,該方法能夠更好地區分來自基因組位點的信號與游離MB所造成的背景。實驗證明,CRISPR/dual-FRET MB通過三個sgRNA即可在普通寬場顯微鏡下成像單基因組位點(圖2A),并且能區分不同基因組位點(MUC4, MUC1, IGR)的運動(圖2B)。值得一提的是,CRISPR/dual-FRET MB 是首個被報道的、僅需3sgRNA 就能在寬場顯微鏡下成像單基因組位點(非重復序列)的技術。此外, CRISPR/dual-FRET MB的分子量比現有最靈敏的CRISPR 標記技術(基于熒光蛋白)小6倍以上,因此可能對被標記位點的生物學功能造成較小的影響。CRISPR/dual-FRET MB的應用有望幫助研究者對染色質高級結構的時空動態變化進行更深入細致的闡述。


1. CRISPR/dual-FRET MB的工作原理

2. 利用CRISPR/dual-FRET MB在細胞中檢測單基因組位點。A) CRISPR/dual-FRET MB 通過3sgRNA在寬場顯微鏡下成像單基因組位點(MUC4)。CRISPR/dual-FRET MBCRISPR/MB具有更高的信噪比。B) CRISPR/dual-FRET MB可區分不同基因組位點(MUC4, MUC1, IGR)的運動

該工作的第一作者是毛詩琦。應亞宸、吳小天和Christopher KruegerPKU/GT/Emory聯合培養項目博士生)為工作的順利完成做出重要貢獻。通訊作者為陳匡時特聘研究員。此項工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。

 
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