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人類基因組是一部由30億個堿基對排列組合而成的“天書”，里面有我們的“自傳”，更蘊含著生命延續進化的密碼。想要破解人類基因組“天書”，首先得看清楚，它們在哪兒？之間有何關聯？深圳大學的研究人員日前發布重大科研成果：通過自主搭建的光學超分辨率平臺，首次為長度僅為2500堿基對的DNA序列，拍攝3D立體照片。這是迄今為止，用光學顯微鏡所能看到的最短特異基因組序列。未來科學家可以繼續給不同基因組位點拍照，并一一靶向定位，用來觀察其相互之間的互動模式，以此實現在細胞尚未發生病變時，就能判斷其是否具備癌變可能。
自主搭建光學顯微鏡
6月28日上午，深圳大學在光電工程學院召開發布會，公布近期取得的重要科研成果。深圳大學的研究人員聯合清華大學、哲源科技、香港大學、檸檬數據、德州大學達拉斯分校的研究人員，在自主搭建的三維隨機光學重建顯微鏡(3D-STORM)平臺上，擴展了一種基于統計光學成像的診斷工具，用來原位捕獲人基因組中特定非重復的短片段，獲得了在復雜細胞核環境背景下、長度僅為2500堿基對的DNA序列的3D超分辨圖像。
目前，深大研究團隊由五位“三字頭”(年齡均為30多歲)博士組成，共同第一作者牛鋼博士解釋說，光學顯微鏡追求的效果是，觀察到的基因序列越短，越能看到最本質的東西。如果能將2500堿基對，縮小至幾個堿基的話，圖像的分辨率就達到了最佳效果，未來團隊將致力于實現100堿基的3D成像。
人類重大復雜疾病可及早發現
成果作者代表曹博是團隊中的“基因攝像師”，在光學顯微鏡下觀察細胞圖像并進行拍攝，每天需要工作十幾個小時，卻只能完成二三十個細胞的3D照片。曹博說，研究成果將與A I人工智能結合，用人類經驗指導電腦自動學習細胞特征，完成科學家的指令，“我們初步算下來，人工智能輔助系統一天可拍攝幾百個細胞。機器在人類監督下進行自我學習、升級認知水平，最終達到自動識別、監視、捕獲每一個細胞中不同標靶的日常行為。”
除了建設超分辨率光學顯微鏡，深大研究團隊還開展了X射線相稱顯微技術，以及基于識別化學光譜的卡斯光譜顯微成像技術。通過多種技術平臺的組合應用，研究者在未來不僅可以將活體軟組織內部的精細結構，在三維空間中立體展示，同時也能直接看到最小的分子，明白其化學結構。牛鋼認為，上述技術的實現，對于民眾最直接的好處是，人類的重大復雜疾病可及早發現，比如肝癌的早期患者在利用現代光學成像之后，可以及早發現肝內細微結構與肝細胞的異常情況。據此情報，醫生可以提前介入治療，挽救生命。這無論是對于醫療方式的升級換代，還是生命科學的基礎研究，都實現了1.0到2.0的飛躍。
揭秘
打開細胞核中存放基因的“黑匣子”
想要破解人類DNA“天書”，除了用眼睛直接看清楚“文字”，還要明確它們在文中所處位置，彼此之間有何關聯。牛鋼說，在活細胞核中，基因之間的位置信息非常重要，關乎細胞變異與疾病的早期診斷、預防。在這項技術誕生前，細胞核中的基因就像存在于黑匣子中，借著微弱的光亮，人們得以依稀看到其模糊的圖像。
在細胞核中精確標記基因
研究人員更是只能從宏觀上觀察細胞形態，用統計學方法獲得實驗數據。但是單個細胞內部更細微的功能和機構是否發生變化，以及如何發生變化，都無從知曉。通過深大團隊提出的這種新方法，科學家可以精確地在細胞核中標記基因。如果它們彼此之間發生了不該發生的關系，或者進行了過于激烈的相互作用，很可能就會導致基因組的某部分產生變異，并最終驅動這個單細胞變成了腫瘤細胞。
牛鋼把這些逃逸了免疫系統監控，并且惡性增長的腫瘤細胞疾病比喻成犯罪嫌疑人。首先一一將其靶向定位，然后進行追蹤，“一旦它們聚在一起，就知道這是癌變的最早期特征。也就是說，當細胞還沒發生變異，是正常細胞的時候，我們已經提前發覺，它產生潛在的危險性了。”目前在腫瘤細胞檢測時，臨床通常采用生物學中的統計性測量方法，每次提取十的五到六次方個細胞進行DNA測序。上述測量方式的弊端是，導致單細胞的獨特信息洇滅在海量信息中，“就好像一個犯罪分子隱藏在一百萬個人里，你提取的是萬人信息，就無法找到這個犯罪分子的信息。”
腫瘤細胞測序成本降至數百元
通過采用分子信標(MB)探針的這一新方法(MB-FISH )，能夠基于納米分辨條件，精確展現目標DNA小片段，在細胞核內三維空間的分布。這種能力就類似于，在擁擠的超過一百萬人的超級候機樓，精確識別出想要找的那個人。“腫瘤細胞每個都不一樣，液體活檢時，如果把一個一個細胞單獨拿來測序，成本非常高，花費百萬元。”但若使用光學顯微鏡的平臺去精確呈現細胞，個人診斷的成本降至數百元，而得到疾病細胞的信息量卻是非常巨大。
團隊希望，未來可以實現同時監控多個腫瘤細胞。就如同C IA執行針對恐怖分子的作戰任務時，使用無人機觀察目標。當恐怖分子從用來隱藏的建筑物中現身，技術人員在電腦系統中對其一一標記，標記會始終跟隨每一個人，從而實現多目標的標記。科學家通過光學顯微鏡，給不同基因拍照，并一一靶向定位，用來觀察其相互之間的互動模式，以此實現在細胞尚未發生病變時，就能判斷其是否具備癌變可能。
背景
創新先進光學方法
在生命科學中的應用
該研究團隊由深圳大學牛憨笨院士率領，他曾表示，要提供解決根本問題的手段，來研究生命現象，研究者需要理解研究方法和對象的物理本質。近二十年來，牛憨笨院士不但致力于先進光學方法的創新，同時積極推動先進光學方法在生命科學中的應用。令人遺憾的是，牛憨笨院士于2016年7月因病逝世。
據來自清華大學和德州大學達拉斯分校的共同通訊作者張奇偉教授介紹，熒光原位雜交(FISH)是用于發現基因或染色體異常的分子診斷技術，首先在20世紀80年代初開發，包括使用結合染色體特定部位的熒光探針來檢測特定DNA序列是否存在。但是傳統的FISH方法受限于各種因素(包括標記能力和光學分辨率)，難以獲得基因組中特定短片段的清晰微觀圖像。
直到2015年，哈佛大學WuChao-ting教授和莊小威教授實驗室，聯合建立了寡核苷酸探針FISH(Oligopaint-FISH)與STORM相結合的新方法，能夠對最短為4900堿基的非重復基因組區域進行超分辨率成像。深圳大學此次發表于eLife上的這項研究成果，則進一步推動了FISH技術捕獲基因組特定短片段的能力，不僅將拍攝到的基因序列縮短了一倍，更將成像效果從2D升級為3D。
出品：南方都市報科學新聞工作室
主持：陳養凱采寫：南都記者朱倩
