新方法跟踪空间和时间范围内单个细胞中的基因表达

RNA在生物学中起着核心作用，但关于分子在细胞中的生命周期还有很多东西需要了解。近年来，科学家们已经设计出可以拍摄分散在细胞中的信使RNA(mRNA)的快照并测量其丰度的潮起潮落的方法，但他们尚未能够随着时间的推移跟踪大量信使RNA(mRNA)的个体运动。

麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学的科学家建立的一种新方法是第一个在空间和时间上跟踪单个细胞中mRNA的大规模方法。该方法被称为TEMPOmap(时间分辨原位测序和定位)，可同时测量许多RNA分子的亚细胞运动，并有可能跟踪分子从出生到死亡的过程。

TEMPOmap对新制造的RNA分子进行化学标记，并使用独特的方法在多个时间点在细胞中的特定位置对它们进行测序，从而使研究人员能够随着时间的推移并行跟踪数千个RNA分子。在Nature Methods的一项研究中，研究小组描述了TEMPOmap以及它如何使他们能够跟踪各种细胞类型的mRNA，测量分子从DNA转录并在细胞内移动的速度，并发现RNA在细胞中的惊人运动。

科学家们表示，该方法生成的图谱可以帮助揭示基因调控的新原理，并探索RNA生命周期模式如何影响健康和疾病中各种细胞类型的功能。

“测量RNA运动和稳定性模式的新方法可以为分子生物学的基本原理提供新的见解，此外还可以帮助我们更好地了解RNA动力学如何影响许多不类细胞类型的细胞功能，”高级研究作者Xiao Wang说，他是核心研究所成员和Merkin研究所研究员。

时间会证明一切

TEMPOmap建立在STARmap的基础上，STARmap是Wang及其同事先前开发的一种方法，该方法可以在某个时间点分析细胞内RNA分子的位置。通过TEMPOmap，Wang实验室设计了一种方法，该方法仅标记从DNA转录的新制造的RNA，通过将细胞固定在水凝胶中来将它们固定到位，并检测细胞中这些位置的RNA。通过在不同的时间点这样做，研究人员推断RNA分子在几个小时内通过细胞的运动。

为了检测和测序单个细胞中的RNA，该团队首先设计了一种创造性的三部分化学探针组，该探针组精确地与新制造的mRNA上的标记结合，形成一个环状结构，产生一个紧密的DNA片段球，也称为“DNA扩增子”，从结合的mRNA复制而来。然后，科学家们使用一种称为“SEDAL”的原位测序方法，该方法是为STARmap方法设计的，用于分析DNA片段并揭示每个点存在的mRNA的身份。

研究人员通过在实验室中跟踪代表细胞中近1个基因的mRNA的亚细胞运动来证明该方法的潜力。他们还跟踪了由重新编程的人类干细胞产生的成纤维细胞和心肌细胞中的几十个基因的mRNA，以及人类皮肤细胞中的000多个基因。

分析表明，在特定细胞类型中具有特定功能的基因的mRNA往往合成得更快，并且在该细胞类型中比其他细胞类型更稳定。“通过TEMPOmap，我们能够看到这些转录本在特定细胞类型中具有高度功能作用的证据，”共同第一作者，麻省理工学院和Wang实验室的研究生Jingyi(Rena)Ren说。

该团队的测量还揭示了每个RNA转录的速度，从细胞核输出，通过细胞质的运动和衰变。他们发现mRNA表现出与它们编码的基因的分子功能相关的不同动力学模式。

除了揭示基因表达和控制的新见解外，TEMPOmap还可以协助研究其他生物现象，如胚胎发育，生物钟和疾病进展。Wang实验室旨在使用空间转录组学工具更好地了解分子水平上的大脑功能和功能障碍。例如，他们计划使用TEMPOmap来研究基因转录物在特定条件下如何在脑细胞内传播，例如，在神经元放电后。

“生物学本质上是一个动态的过程，”任正非说。“通过跟踪这些RNA，我们可以帮助回答一些有趣的生物学问题。

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