单细胞内生物大分子及其复合物在空间上存在复杂、多样的组成关系。染色质作为重要的大分子复合物，以约10 nm的核小体为基本单元，由核酸物质（DNA、RNA）与各种蛋白质组成，且存在大量DNA表观修饰和组蛋白翻译后修饰（Post-translational modification, PTM）。纳米空间内（如半径10 nm范围）复杂的染色质组成（定义为染色质纳米环境），可能在细胞生命过程中扮演着多种角色，参与多路反应，发挥重要的调控作用。因此，探究染色质纳米环境，对于理解染色质复杂组成、构象及调控机制等具有重要意义，但当前仍缺乏有效的识别检测方法。
“一对多”细胞纳米环境分析概念图（a）与染色质纳米环境检测原理图（b）
针对上述难题，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以“一对多”染色质纳米环境为分析对象，提出DNA邻近循环识别机理，发展DNA步移索引扩增检测方法，实现单细胞内一种组蛋白PTM周围多种DNA表观修饰的成像分析。该方法可检出目标PTM位点约10 nm半径空间内各种DNA修饰的位点数目与亚细胞分布，即“一对多”染色质纳米环境。通过探测多种组蛋白PTM的纳米环境，揭示细胞周期过程中染色质纳米环境的动态变化，实现了临床肺癌患者细胞样品中染色质纳米环境的分析检测。
该研究为探究染色质纳米环境的复杂组成、生物功能及调控机制奠定了检测方法学基础。通过调控DNA探针的长度，可探测5 nm到30 nm半径范围的纳米环境。此外，该方法具有很好的通用性，改变分子识别方式，还能拓展用于转录因子、膜蛋白等其他生物大分子的纳米环境分析。
单细胞染色质纳米环境分析。（a-b）PTM周围多种DNA修饰检测；（c）不同细胞周期样品分析；（d）临床肺癌患者细胞样品分析。
该研究工作以“胞内大分子锚定的DNA步移索引技术用于染色质修饰纳米环境的探究”（Cellular macromolecules-tethered DNA walking indexing to explore nanoenvironments of chromatin modifications）为题在国际权威期刊Nature Communications（《自然-通讯》）上在线发表。西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室生命分析化学与仪器研究所为该论文的第一作者单位和通讯作者单位，陈锋副教授与白敏博士为第一作者，赵永席教授为唯一通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中国博士后科学基金、西安交大青年拔尖人才支持计划等项目的共同资助，实验测试得到西安交大分析测试共享中心的大力支持。
赵永席教授团队主要从事单细胞分析、高通量测序、核酸化学与生物学、功能纳米材料与分子探针、微流控芯片等研究工作。近两年，该团队在单细胞核酸分析领域开展了系列原创工作，相关研究成果已发表在Nature Communications（影响因子：12.121）、Journal of the American Chemical Society（《美国化学会志》，影响因子：14.695）、Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》，影响因子：12.257）、Nucleic Acids Research（《核酸研究》，影响因子：11.157）等权威期刊。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22284-z
赵永席教授研究团队主页链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/yxzhao
