张锋最新《Cell》「DNA 显微镜」是怎么给细胞成像的，有哪些突破和意义？
张锋团队在《Cell》杂志上发表的最新研究，为我们揭示了一种名为“DNA显微镜”（DNAbased microscopy）的新技术，这项技术以前所未有的方式让我们得以窥探细胞内部的微观世界。它并非传统意义上的光学显微镜，而是巧妙地利用了DNA本身作为一种记录介质，将细胞内的信息“编码”并储存下来，随后再进行解码和可视化。
DNA显微镜是如何工作的？
这个过程的核心在于将细胞内的分子事件转化为一段段DNA序列。想象一下，细胞内发生的每一个重要变化，比如蛋白质的表达、基因的激活、甚至是细胞器的位置，都可以被看作是一个独特的“事件”。DNA显微镜通过一系列精密的生物化学和分子生物学手段，将这些事件映射到一段段预先设计好的DNA分子上。
具体来说，这个过程大致可以分为几个关键步骤：
1. 事件捕获与标记： 首先，需要一种机制来捕捉和标记细胞内正在发生的特定事件。这通常涉及到一些特殊的分子探针，它们能够识别并结合到目标分子上。一旦探针与目标结合，它就会触发一个“记录”动作。
2. DNA序列编码： 当一个事件被捕获后，相应的DNA分子就会被合成并“标记”上这个事件的信息。这个标记可以是DNA序列本身的一个特定片段，也可以是与其他DNA片段相连接的方式。可以理解为，我们为每一个细胞内的事件都编写了一段独一无二的DNA“条形码”。
3. DNA储存与扩增： 这些带有“条形码”的DNA分子会被保存在细胞内（或者收集到体外进行分析）。随着时间的推移，细胞内的不同事件会产生不同序列的DNA“条形码”。为了能够检测到这些微弱的信号，这些DNA片段还需要通过PCR等技术进行扩增，以增加它们的数量。
4. DNA测序与解码： 经过扩增的DNA“条形码”会被送往DNA测序仪进行高通量测序。测序仪能够读出每一段DNA的精确序列。然后，通过预设的解码规则，研究人员可以将这些DNA序列翻译回原始的细胞事件信息。例如，某个特定的DNA序列可能代表“某个蛋白质在这个位置表达了”，而另一个序列则可能代表“这个基因在这个时间被激活了”。
5. 空间定位与可视化： 最具挑战性也最具突破性的一点在于，研究人员还想办法将这些DNA“条形码”与其在细胞内的原始位置联系起来。这通常需要结合一些细胞分裂过程中的痕迹，或者通过特殊的标记技术，使得DNA“条形码”能够反映出它所记录事件的空间信息。最终，通过数据分析和可视化软件，就可以将这些分散的DNA信息重构成一张张细胞内的“事件地图”。
这项技术有哪些突破和意义？
张锋团队的“DNA显微镜”技术之所以令人瞩目，是因为它在多个层面都实现了突破性的进展，并带来了深远的意义：
超越传统显微镜的维度： 传统的光学显微镜主要观察细胞的形态结构和某些特定分子的分布。而“DNA显微镜”则能够捕捉和记录细胞内发生的动态过程和时间序列信息。它不是静态地拍照，而是以一种更加“叙事性”的方式，记录下细胞在一段时间内经历了什么。这就像从一本照片集变成了一部电影。
捕捉“未见之物”的潜力： 许多重要的细胞事件，例如瞬时发生的信号转导通路、罕见的基因调控变化等，由于其持续时间短、信号弱等特点，很难被传统方法捕捉到。DNA显微镜通过将这些事件“编码”并长期储存，为我们提供了一种追踪和研究这些难以捉摸的事件的新途径。
高通量、大规模的记录能力： 得益于DNA测序技术的进步，DNA显微镜能够同时记录和分析海量的细胞事件。这意味着我们可以一次性了解一个细胞群体内成千上万个细胞的状态和变化，从而获得更加全面和深入的认识。
理解生命过程的新工具： 这项技术对于理解生命活动的基本原理具有巨大的意义。例如，在发育生物学中，我们可以追踪胚胎发育过程中每一个细胞的命运和基因表达变化；在神经科学中，我们可以记录神经元之间信号传递的复杂过程；在疾病研究中，我们可以观察癌细胞如何发生转移、药物如何影响细胞行为。
对合成生物学的推动： DNA作为一种高度稳定且易于编辑的信息载体，为合成生物学领域的研究者提供了新的思路。未来，我们或许可以设计出能够根据特定的环境信号生成特定DNA序列的生物装置，从而实现更加精确的生物调控和功能设计。
总而言之，“DNA显微镜”这项由张锋团队提出的创新技术，是通过将细胞内的动态事件转化为DNA序列信息进行记录、存储、测序和解码，从而实现对细胞活动进行前所未有的深入观察和分析。它打破了传统显微镜的局限，为我们提供了一个理解生命复杂性的全新视角和强大工具，其潜力将持续推动生物学研究向前发展。
DNA显微镜是如何工作的？
这个过程的核心在于将细胞内的分子事件转化为一段段DNA序列。想象一下，细胞内发生的每一个重要变化，比如蛋白质的表达、基因的激活、甚至是细胞器的位置，都可以被看作是一个独特的“事件”。DNA显微镜通过一系列精密的生物化学和分子生物学手段，将这些事件映射到一段段预先设计好的DNA分子上。
具体来说，这个过程大致可以分为几个关键步骤：
1. 事件捕获与标记： 首先，需要一种机制来捕捉和标记细胞内正在发生的特定事件。这通常涉及到一些特殊的分子探针，它们能够识别并结合到目标分子上。一旦探针与目标结合，它就会触发一个“记录”动作。
2. DNA序列编码： 当一个事件被捕获后，相应的DNA分子就会被合成并“标记”上这个事件的信息。这个标记可以是DNA序列本身的一个特定片段，也可以是与其他DNA片段相连接的方式。可以理解为，我们为每一个细胞内的事件都编写了一段独一无二的DNA“条形码”。
3. DNA储存与扩增： 这些带有“条形码”的DNA分子会被保存在细胞内（或者收集到体外进行分析）。随着时间的推移，细胞内的不同事件会产生不同序列的DNA“条形码”。为了能够检测到这些微弱的信号，这些DNA片段还需要通过PCR等技术进行扩增，以增加它们的数量。
4. DNA测序与解码： 经过扩增的DNA“条形码”会被送往DNA测序仪进行高通量测序。测序仪能够读出每一段DNA的精确序列。然后，通过预设的解码规则，研究人员可以将这些DNA序列翻译回原始的细胞事件信息。例如，某个特定的DNA序列可能代表“某个蛋白质在这个位置表达了”，而另一个序列则可能代表“这个基因在这个时间被激活了”。
5. 空间定位与可视化： 最具挑战性也最具突破性的一点在于，研究人员还想办法将这些DNA“条形码”与其在细胞内的原始位置联系起来。这通常需要结合一些细胞分裂过程中的痕迹，或者通过特殊的标记技术，使得DNA“条形码”能够反映出它所记录事件的空间信息。最终，通过数据分析和可视化软件，就可以将这些分散的DNA信息重构成一张张细胞内的“事件地图”。
这项技术有哪些突破和意义？
张锋团队的“DNA显微镜”技术之所以令人瞩目，是因为它在多个层面都实现了突破性的进展，并带来了深远的意义：
超越传统显微镜的维度： 传统的光学显微镜主要观察细胞的形态结构和某些特定分子的分布。而“DNA显微镜”则能够捕捉和记录细胞内发生的动态过程和时间序列信息。它不是静态地拍照，而是以一种更加“叙事性”的方式，记录下细胞在一段时间内经历了什么。这就像从一本照片集变成了一部电影。
捕捉“未见之物”的潜力： 许多重要的细胞事件，例如瞬时发生的信号转导通路、罕见的基因调控变化等，由于其持续时间短、信号弱等特点，很难被传统方法捕捉到。DNA显微镜通过将这些事件“编码”并长期储存，为我们提供了一种追踪和研究这些难以捉摸的事件的新途径。
高通量、大规模的记录能力： 得益于DNA测序技术的进步，DNA显微镜能够同时记录和分析海量的细胞事件。这意味着我们可以一次性了解一个细胞群体内成千上万个细胞的状态和变化，从而获得更加全面和深入的认识。
理解生命过程的新工具： 这项技术对于理解生命活动的基本原理具有巨大的意义。例如，在发育生物学中，我们可以追踪胚胎发育过程中每一个细胞的命运和基因表达变化；在神经科学中，我们可以记录神经元之间信号传递的复杂过程；在疾病研究中，我们可以观察癌细胞如何发生转移、药物如何影响细胞行为。
对合成生物学的推动： DNA作为一种高度稳定且易于编辑的信息载体，为合成生物学领域的研究者提供了新的思路。未来，我们或许可以设计出能够根据特定的环境信号生成特定DNA序列的生物装置，从而实现更加精确的生物调控和功能设计。
总而言之，“DNA显微镜”这项由张锋团队提出的创新技术，是通过将细胞内的动态事件转化为DNA序列信息进行记录、存储、测序和解码，从而实现对细胞活动进行前所未有的深入观察和分析。它打破了传统显微镜的局限，为我们提供了一个理解生命复杂性的全新视角和强大工具，其潜力将持续推动生物学研究向前发展。
网友意见
DNA分子显微镜这项技术原理和2009年开发出来的染色质构象捕获技术Chromatin Comformation capture（3C）差不多。它从看染色质结构角度衍伸到看全细胞结构，从DNA转变成RNA，从概念上有了新提升。
首先讲下3C技术原理，可以帮助更好地理解DNA显微镜。
细胞核内DNA分子如果全部展开，有2米多长。只有经过有规律地折叠，才能被装入微米级别的细胞核中。这些DNA折叠有松有紧，松的构成常染色质，转录活跃；紧的构成异染色质，转录减少。两类染色体动态变化和基因表达紧密相关，因此，染色质结构变化是研究基因转录调控的重要科学问题。为了了解染色质构象变化，2009年开发了3C技术。
3C，染色质构象捕捉，就是把细胞核内的线团原地剪碎，拿序列1-特定序列-序列2作为引物进行一轮原位PCR扩增。如果两个DNA片段（片段1和片段2）在线团里位置很近，有很高概率被扩增到同一个PCR产物中。由此大规模给引物扩增，就能知道染色体中DNA谁和谁位置更近，得到整个染色体构象。
下面再讲讲这次的新技术DNA显微镜。
其实……它是个RNA显微镜。
在细胞中有很多RNA，处于不同位置。之前用于探测RNA在细胞内分布的技术，叫作原位杂交。把细胞固定好，用和目标RNA结合的探针标记上去，利用探针上的荧光观察RNA在细胞内的位置。
而这次DNA显微镜技术，和3C差不多。先将细胞固定，原位把RNA反转录成cDNA，加特定序列扩增，cDNA上就被加上标签。不同标签在扩增时，通过引物重叠区域，把距离近的两个cDNA扩增到一起，由此知道这两个cDNA空间距离很近。最终通过测序可以得到全部目标cDNA（即RNA）在细胞的分布。
由于新技术基于PCR扩增，PCR扩增效率受引物序列和模板浓度影响，实验起来比较tricky，技术还是需要很多优化。
总体来说是很棒的概念，卖点DNA microsope给得非常好。
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