多组分时空分析：走进单细胞的 “社会”

来源： 科学网 / 作者：本报见习记者 程唯珈  2019-07-29

1952 年，美国细胞生物学家威尔逊曾提出，“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找答案。”

纵观近 50 年来荣获诺贝尔奖生理学或医学奖和化学奖的重大突破，70 多个都与细胞生物学密切相关。

作为研究细胞生命活动规律的科学，细胞生物学在科学家的显微镜下经历了近 180 年的历史，但细胞对人类来说依然是 “黑箱” 一般的存在。

如今，研究人员正在尽力通过对单个细胞进行研究来阐明细胞的 “天性”。

自 2014 年起，在国家自然科学基金重大项目 “单细胞多组分时空分析” 支持下，中国科学家在有关单细胞生物学的重大科学问题上取得了一系列进展。

没有两个细胞是完全相同的

如果把细胞环境比作一个社会，每个细胞就是一个独立的人。

在对人类社会的研究中，不仅个体的特征和行为值得关注，研究所处环境中个体之间相互协调或对抗作用等关系以及群体所产生的集体行为，也相当重要。细胞研究亦是如此。

多年来，通过对细胞的研究，科学家已经对生命体的生长发育、遗传变异、认知与行为、进化与适应性等若干生命科学问题有了较为清晰的认识。不过，在清华大学副教授陆跃翔看来，这些还远远不够。

“在之前的研究中，科学家探索出细胞新陈代谢、生命运动过程中的各种表征方法，如蛋白表达分析、基因转录检测（反转录 PCR）等，这些方法更多的是在大样本的细胞中进行观察与测量后，得到一个平均结果。” 陆跃翔告诉《中国科学报》。

然而，没有两个细胞是完全相同的。这些平均结果掩盖了细胞之间微小的差异，这些差异可能在某些关键生命过程如细胞分化、肿瘤的发展过程中起着决定性作用。

为了获取细胞生理状态和过程中更准确、更全面的信息，科研人员将目光瞄准单个细胞。

“单细胞内部的生命活动，可以被认为是生物活性分子之间复杂的化学反应的结果，正是这些分子的时空分布、结构、功能及其相互作用方式，决定了细胞增殖、分化、凋亡以及重大疾病发生、发展、迁移等过程。” 陆跃翔分析道。

但是想要研究这些生物活性分子形成的精密复杂的相互作用和调控网络并非易事。它不仅要求科学家了解其化学成分，更要理解它们之间相互作用的复杂过程，以及在细胞内部细胞器中特定位置的作用区域和时空变化。

2014 年，国家自然科学基金委员会发布重大项目 “单细胞多组分时空分析” 申请指南，清华大学化学系教授张新荣组织的研究团队的申请获批。他们凝练出荧光探针制备与合成、新型时空分辨成像方法以及在细胞内生物分子相互作用研究等关键科学问题。

“我们希望发展建立适于单细胞中多种生物活性分子时空分辨的荧光分析新方法，驱动生命科学和基础与临床医学研究进步。” 谈及科学目标，张新荣如是说。

新技术带你深入了解 “社会”

如何实现这一目标？在张新荣看来，这需要从单细胞中多组分分子的时空信息获取方法出发。为此，项目组将其分为 “荧光探针制备与合成”“新型时空分辨成像方法” 以及 “细胞内生物分子相互作用” 三大方向进行攻关。

要了解细胞这个独特的 “社会”，首先需要的是一台可以钻进细胞内部获取关键分子信息的 “放大镜”。因此，荧光探针制备与合成至关重要。

针对单细胞中极低含量分子检测问题，山东师范大学教授唐波课题组综合运用共轭聚合物信号放大、无光源激发、光谱红移、核酸杂交链式放大等技术，构建了若干超灵敏的分子与纳米荧光探针，实现了细胞及活体中某些活性分子浓度皮摩尔水平的原位、动态检测。

同时，细胞中生理过程的发生和发展往往不是一类分子的孤立事件，涉及到多种分子的参与。因此课题组还开发了一系列的两组分、三组分和四组分同时检测的荧光探针，并设计了多模态探针来获取更丰富的成像信息。

“本项目的一个重要特色工作是时任中国科学院上海应用物理研究所研究员樊春海课题组基于框架核酸构建的多组分分析探针和成像方法。” 张新荣介绍，框架核酸是一类人工设计的结构核酸，具有尺寸精确、结构精确、修饰精确的特点，通过精确的化学修饰，可以将多种小分子及大分子探针负载到框架核酸上，实现多组分探针的可控构建。

不过，实现探针在亚细胞区域内对胞内生物活性分子的精确定位和实时检测可并不那么容易。

“细胞核内分子密度大且背景荧光特别高，导致人们对单分子的观察非常困难。传统光学显微成像分辨率，不足以解析染色体 DNA 的构造。” 陆跃翔告诉记者，尤其在超高空间分辨率的前提下，要实现持续的动态观察，对荧光探针和成像方法都提出了更大的挑战。

在活细胞超分辨成像方面，北京大学生物动态光学成像中心研究员孙育杰课题组研发了高性能探针 Gmars-Q，使其在光照时进入暗态，从而延长成像时长，比已有最好探针的活细胞超分辨成像时间长一个数量级，这种超高分辨成像技术实现了纳米尺度的活细胞核内动态观测。

“Gmars-Q 的独特机制打开了基于蛋白结构和动力学优化荧光蛋白的设计策略。” 德国卡尔斯鲁厄理工学院教授 Gerd Ulrich Nienhaus 曾对此给予高度评价。

在现代分析化学的发展中，大科学装置的应用也越来越受到科学家的重视。

依托中国科学院高能物理研究所和中国科学院上海应用物理研究所的两台同步辐射光源，樊春海课题组和中国科学院高能物理研究所研究员高学云课题组开展了同步辐射 X 射线细胞成像方法的研究。

实验团队通过搭建 X 射线全场三维成像平台，合成了一系列 X 射线成像探针，发展了细胞成像算法，实现了单细胞的 X 射线三维成像。为了应对单一技术无法在高分辨率下同时实现细胞的结构与功能定位的挑战，课题组又发展了 X 射线与超分辨荧光联用技术，实现了在纳米分辨下的细胞结构与功能融合成像的突破。

本项目在开发了一系列单细胞多组分时空分析技术的基础上，将其综合应用于相关生物学的研究。

已有研究发现 DNA 不仅有序列信息，还有三维结构信息。基于此，北京大学教授、中国科学院外籍院士谢晓亮课题组通过对 sgRNA 改造，开发了一种全新的活细胞染色质 DNA 的多色、稳定标记系统，实现对活细胞内基因位点的长时间连续观察追踪。

2018 年，该重大项目迎来一项重磅突破。谢晓亮课题组在《科学》上发表文章，介绍他们在单细胞水平研究双倍体哺乳动物细胞的基因组结构研究方面取得的成果。利用新发展的 Dip-C 技术，项目组构建了人源双倍体细胞的具有高空间分辨率的单细胞基因组三维结构。

“这种结构分型对研究细胞功能有着至关重要的作用，也为唐氏综合症等染色体非整倍体疾病提供了研究和干预手段。” 谢晓亮说。

让基础研究走出实验室

对于细胞 “社会” 的深层解析，不仅为了阐明各种生命现象与本质，科学家更是希望据此对这些现象和规律加以控制和利用，以达到造福人类的目的。在该重大项目支持下，诸多研究展现出了良好的社会应用前景。

“许多疾病的研究和治疗最终都必须回归细胞水平。” 在张新荣看来，一系列单细胞多组分时空分析技术能够有效加深人们对生命现象的本质理解，也有助于了解疾病机理，进而促进生物医药科学和相关产业的发展。

“项目研发的诊疗一体化功能纳米探针，为相关重大疾病成因、诊断提供表征手段和依据，对疾病的早期预警以及提高疾病治愈率有着重要意义。” 张新荣告诉《中国科学报》，部分创制的探针已经进行了市场转化，基于探针建立的荧光成像技术也成为国家重大新药创制课题中药效评价的关键技术之一。

例如，唐波课题组研究的 “超高灵敏度—可逆探针” 能够在活体水平上示踪炎症发生发展过程中超氧阴离子的浓度水平及动态变化过程，缩短了药物临床试验周期，提高了药物筛选效能。为即将进入临床 Ⅱ、Ⅲ 期的鼻敏胶囊、咳敏胶囊、结肠炎栓 3 个中药新品种的作用靶点、药效评价研究提供了技术支撑。

而基于同步辐射装置的 X 射线细胞显微成像技术，分辨率很容易达到数十纳米，可以在大视场下实现完整细胞的纳米分辨无损成像，与荧光显微装置相比具有巨大优势，在细胞显微成像方面也展现出了巨大的应用前景。

然而，对于人类来说，走进细胞 “社会” 是一个任重而道远的过程。还有无数未知的奥秘等着科学家去探索。

张新荣表示，该重大项目成果为下一步融合多种分析方法、发展全器官跨尺度高灵敏三维成像提供了基础。

“通过研发同步辐射 X 射线相衬—电镜融合成像，有可能在全脑三维微米精度地图引导下选取局部特征区域进行纳米精度的结构解析，大幅降低高精度神经网络解析的盲目性。在特定位点，也可利用荧光分子成像和质谱分子解析，进一步作功能研究。”项目组成员表示，在有关 “社会” 的探索与发现之旅上，中国科学家一直砥砺前行。

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