近日，西安交通大学生命学院生命分析化学与仪器研究所赵永席教授团队受邀在国际权威期刊《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）发表题为“Lighting up Nucleic Acid Modifications in Single Cells with DNA-Encoded Amplification”（DNA编码扩增点亮单细胞核酸修饰）的综述论文，系统介绍了课题组在DNA编码扩增技术与单细胞核酸修饰成像分析方向的最新成果。《Accounts of Chemical Research》是化学和生物化学领域顶级期刊之一（最新影响因子24.466），主要发表基于作者课题组系统性研究工作的评述文章，要求对相关研究领域的未来发展方向给出视野独特、具有前瞻性的展望。
核酸（DNA、RNA）是生命体的遗传物质，广泛参与细胞生长、发育、增殖、衰老等基本过程。核酸序列信息主要由经典碱基（A、G、C、T或U）组成，遵循沃森-克里克碱基配对原则(G:C和A:T或A:U)。在DNA复制或RNA转录之后，核酸序列的某些碱基往往会被装饰上多样的化学修饰，虽然不改变碱基配对形式，但可通过影响蛋白分子结合作用，从而调控核酸构象、组装与功能。在高度拥挤的细胞核环境内，核酸修饰的丰度较低，不同核酸修饰间可能还存在纳米尺度上的空间邻近关系。此外，由于核内DNA被高度折叠打包，天然状态的染色质只有大约4%的基因组DNA是可以被蛋白质或酶分子接触（accessibility，可及性或开放性）。染色质的可及或不可及DNA中的核酸修饰可能发挥着不同的生物功能。核酸修饰的多层次特征在不同细胞个体中可能呈现显著的差异。准确测量单细胞核酸修饰，对于深入阐明其调控功能、揭示细胞异质性和鉴定新细胞亚型等至关重要。
近十年来，高通量测序方法已被广泛用于检测核酸修饰的全基因组序列分布，对阐明其生物功能与疾病关联做出了巨大贡献。然而，这些测序方法无法检出单细胞中核酸修饰的丰度水平与亚细胞分布，难以测量核酸修饰的空间邻近和可及性特征。围绕上述科学难题，赵永席教授课题组开展了系统的研究，结合化学酶法标记技术、动态DNA纳米技术以及微流控单细胞技术，提出了DNA编码扩增新思想，建立了系列单细胞核酸修饰扩增成像方法。这些检测方法可以准确测量了单细胞核酸修饰的多层次分子特征，为单细胞水平解析生命过程与疾病进程中的核酸修饰信息奠定了方法学基础。相关研究论文已在《自然通讯》、《美国化学会志》、《德国应用化学》、《核酸研究》和《美国分析化学》等国际知名期刊发表。
该综述论文系统地总结了赵永席教授课题组的上述研究成果以及该领域挑战性问题与未来发展方向，主要概括为以下几个方面：1、建立碱基编码扩增原位成像方法（BEA-FISH），提升核酸修饰成像灵敏度至单个位点水平，精准描绘单细胞超低丰度核酸修饰的亚细胞分布；2、将BEA-FISH与DNA纳米技术结合，开发了成对邻近区分扩增成像方法（PPDA-FISH），攻克纳米尺度两种核酸修饰空间邻近（one-to-one邻近）的成像难题；3、利用DNA邻近动态循环识别机理，进一步发展了细胞大分子锚定DNA步移索引技术（Cell-TALKING），突破空间邻近识别目标物种类数目的限制，实现单细胞内某一种大分子周围多种核酸修饰（one-to-many邻近）的成像分析，探测了10 nm半径内染色质修饰纳米环境；4、将液滴微流控技术与BEA-FISH结合，构建单细胞水凝胶编码扩增成像方法（scHEA），首次测量单细胞可及的与不可及的DNA修饰，发现5hmC和5hmU两种修饰可作为标志物区分肿瘤细胞与正常细胞；5、展望了宿主细胞中新冠病毒核酸修饰的定量、活细胞核酸修饰成像、单细胞核酸修饰成像与测序联合分析等多个方向面临的挑战与机遇。该论文第一作者为西安交大生命学院陈锋副教授和薛静助理教授，通讯作者为赵永席教授，第一单位为西安交大生命学院生物医学信息工程教育部重点实验室，中国科学院院士上海交通大学樊春海教授提供了重要指导。该论文得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金与重大研究计划培育项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00269
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