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华人学者Nature Biotechnology报道一种简单而强大的新方法

2019/8/21 9:50:22??????点击:

为了更好地了解组织和器官如何发育,疾病如何发生的,一些科学家们计划绘制细胞的三维空间分子谱,比如“人类生物分子图谱计划”,“人类细胞图谱项目”以及一些脑图谱项目等等。然而,现有的成像方法在其性能的各个方面受限,无法给科学家们带来便捷。

近期,来自哈佛大学Wyss生物工程研究所和哈佛医学院(HMS)的研究人员报道了一种新型的技术:Immuno-SABER (Immunostaining with Signal Amplification By Exchange Reaction)填补了这一空白,这种方法将常用抗体的蛋白质靶向特异性与基于DNA的信号放大策略相结合,能够在同一样品中对多种蛋白质进行高度多重可视化,让每个靶位点产生预编程和可调节的荧光信号。这一研究团队已经在许多细胞和组织制剂中验证了他们的方法。

这一研究成果公布在Nature Biotechnology杂志上,由哈佛大学华人学者尹鹏(Peng Yin)领导完成。

尹鹏表示,“我们证明Immuno-SABER能够在5到180倍范围内独立调节单个蛋白质靶标的信号强度,而且这项技术具有多重功能,可同时检测多种蛋白质。并且具有速度快,使用相对简单,成本低等优点。未来这项技术有可能在许多组织和疾病中快速推进正在进行的大规模蛋白质作图研究和生物标志物寻找项目中发挥作用?!?/span>

尹鹏团队最近由于在利用DNA纳米技术驱动的条形码和信号放大技术方面的进展,被入选了人类生物分子图谱计划(HuBMAP)的和人类细胞图谱项目的获奖者。


在研究和临床中,抗体是蛋白质最常用的检测试剂,通常研究人员用荧光染色标记它们,通过显微镜进行检测。然而,常规抗体染色方法通常仅允许同时使用最多五种不同的染色,并且靶蛋白的丰度可能存在显著不同,因此难以从许多组织显示的背景荧光中区分具有高灵敏度的稀有蛋白质靶标。

Immuno-SABER利用尹鹏研究组之前报道的“PER”方法,利用催化DNA发夹结构合成短DNA引物序列的长连接子。PER产生的多联体通过短柄序列连接到抗体上的DNA条形码,这样抗体与固定细胞和组织样品中的靶蛋白高特异性结合。在靶标位点的SABER多联体为支架提供了用于互补荧光寡核苷酸(“成像剂”)的多个结合位点,因此可以从每个蛋白质靶标发出的信号扩增。

“通过对具有独特短DNA序列的抗体进行条形码编码,并应用Immuno-SABER,我们可以同时对同一样品中的多个蛋白质靶标进行高特异性的可视化。这基本上可以说是开辟了一种分析健康和多重组织中存在的蛋白质变种的方法,”文章的另外一位作者Sinem Saka博士说。

该团队通过与之前开发的“DNA-Exchange”技术相结合,显著提高了Immuno-SABER方法的多重潜力。在DNA交换中,标记一组靶蛋白的成像器被洗掉并被标记不同靶蛋白组的另一组成像器替换,并且这可以重复多次。

Immuno-SABER的另一个关键优势在于可以调节信号强度。这主要通过从PER生成的多联体组装更复杂的分支结构来实现这一目标,这个多联体包含更多数量的荧光成像剂结合位点?!岸曰赑ER的多联体结构的复杂性进行编程,使我们能够将信号强度调整为特定蛋白质的丰度。我们可以同时使用分支SABER产品可视化稀有蛋白质,从而实现更高的信号放大,以及具有线性SABRE的丰富蛋白质”。他们将线性和分支SABER多联体组合在一起,例如,同时可视化人类扁桃体样品中具有不同丰度和细胞位置的六种蛋白质靶标。

尹鹏团队现有的DNA纳米技术成像技术,比如DNA-PAINT和离散分子成像技术,已经推动了超分辨率显微镜领域的发展,使研究人员能够在正常位置研究单个分子。

为了在更复杂的组织环境中实现类似的高分辨率蛋白质,团队将Immuno-SABER与称为“扩展显微镜”的方法相结合,该方法由合着者Edward Boyden博士开发,这种方法将固定组织人工膨胀至较大体积,这增加了单个分子之间的分离距离,从而提高了它们的有效分辨率,而无需专门的仪器。 “将扩展显微镜与Exchange-SABRE相结合,同时为我们提供了高度多路复用,更有效地为人体建立分子地图集”。

“尹鹏的团队再次展示了他们如何利用编程工程DNA分子来执行像分子机器人这样的特定任务,这样我们就可以同时以高分辨率可视化人体细胞和组织中众多蛋白质的位置,这将极大地加速发现生物控制的分子机制,以及新的疾病生物标志物,“Wyss研究所创始主任Donald Ingber教授评价道。

原文标题:

Immuno-SABER enables highly multiplexed and amplified protein imaging in tissues


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