单细胞研究领域先锋蔡龙最新成果

　　特定组织样本中的所有细胞不一定都是相同的，它们可能在遗传内容、组成和功能方面有很大的不同。但是，许多研究和分析技术，旨在了解生物系统如何在 细胞水平上起作用，把组织样本中的所有细胞看作是完全相同的，平均整个细胞群体的测量。这很容易看到为什么会发生这样的事。但是，因为细胞器、信号化学物 质，以及遗传物质的复杂矩阵——且不说其小规模，要放大来区分每一个细胞内发生的事情，并不是轻松的任务。 领导这一研究的是加州理工学院化学系华裔科学家蔡龙（Long Cai），蔡博士毕业于哈佛大学，曾经获得美国国家卫生研究院的创新奖，他指出：“但是，进行单细胞分析，是理解许多生物系统的关键。这在大脑中、生物膜中、胚胎中，凡是你能说出的器官中，都是真理。”

　　现在，蔡龙实验室已经开发出了一种方法，可同时成像和识别单个细胞内的几十个分子。这种技术可以为“细胞是如何组织以及彼此之间如何相互作用”提供新的见解，并且，最终可以提高我们对于许多疾病的理解。相关研究结果发表在《Nature Methods》。

　　蔡龙及其同事开发的成像技术，不仅可让研究人员解析一个细胞内的大量分子，如信使RNA（mRNA），而且还能系统地标记每一种具有独特荧光“条形码”的分子，所以它可以很容易地进行识别和测量，而不会破坏细胞。

　　蔡龙解释说：“使用这种技术，在一个单一的细胞内，可以检测到不同类型的分子，基本上都是没有限制的。”

　　这种新方法使用了一种创新性的连续条形码方案，将荧光原位杂交（FISH，一个众所周知的程序，用于检测一个样本中特定的DNA或RNA序列）进一步升级。蔡龙及其同事们将他们的技术称为FISH Sequential Coding anALYSis (FISH SCALYS)。

　　FISH利用分子探针——结合荧光染料或荧光素的短DNA片段。这些探针能够结合或杂交，具有互补序列的DNA或RNA。当用显微镜对杂交样品成像时，荧光团变亮，从而精确定位目标分子的位置。

　　有极少数的荧光素，可用于这些探针，研究人员通常使用它们来确定仅仅几个不同的基因。例如，他们使用一种红色的染料标记可靶定一种特定mRNA类型 的所有探针。当他们影像样本时，他们会看到细胞中有一堆红点。然后，他们将采用另一组探针（可靶定不同类型mRNA），用蓝色荧光标记，看到发光的蓝色斑 点。等等等等。

　　但是，如果研究人员想要影像更多类型的分子该怎么办？在过去，他们已经尝试将染料混合在一起，将红色和蓝色探针用于一个特定的基因，所以，当两个探针结合到该基因时，所得的点会看起来是紫色。这是一个不完美的解决方案，可能只标记大约30个不同类型的分子。

　　蔡龙的研究团队意识到，同类少数的荧光可用于连续多轮杂交，以产生数以千计的独特荧光条形码，可以清楚地识别多种类型的分子。

　　蔡龙说：“有了我们的技术，每个标记的分子在每个轮回中仍然只是一个单一的颜色，但我们通过多轮建立了一个条形码，所以颜色保持是可辨认的。使用额外的颜色和额外轮次的杂交，你可以很容易地按比例放大，识别成千上万的不同分子。”

　　可用条形码的数量可能是巨大的：FN，其中F是荧光素的数目，N是杂交轮次的数量。因此，有四个染料和八个杂交回合，科学家们将有足够多的条形码（48 = 65536），以覆盖一个细胞内所有的约20000个RNA分子。

　　蔡龙说，FISH SCALYS可以用来确定不同类型细胞的分子身份，包括胚胎干细胞。他解释说：“一小部分基因将在一种细胞类型中被打开，而在另一种细胞类型中被关闭。” 它还为“疾病改变细胞的方式”提供了新的见解，从而让研究人员能够比较正常组织和病变组织中大量基因的表达差异。

　　最近，蔡龙受到McKnight Endowment神经科学基金的资助，将这项技术用来确定海马体样品中不同类型的神经元，海马体是与学习和记忆相关的大脑部分。

　　蔡龙还带领加州理工学院贝克曼研究所的一个项目，帮助该校其他研究人员将影像学方法应用于各种生物学问题。