Метод штрих-кодирования открывает возможности для исследований внутри единичных клеток

Клетки в образце ткани не идентичны — они могут сильно различаться по генетическому содержанию, составу и функциям. Однако многие исследования и аналитические методы, направленные на понимание работы биологических систем на клеточном уровне, рассматривают все клетки в образце как одинаковые, усредняя измерения по всей популяции.

Способность проводить анализ единичных клеток критически важна для понимания многих биологических систем, таких как мозг, биоплёнки или эмбрионы.

Лаборатория Лонга Кая разработала метод для одновременной визуализации и идентификации десятков молекул внутри отдельных клеток. Эта техника может дать новое понимание организации и взаимодействия клеток и в перспективе улучшить понимание многих заболеваний.

Новый метод визуализации позволяет не только детектировать множество молекул (например, видов матричной РНК, mRNA) внутри одной клетки, но и систематически маркировать каждый тип молекулы уникальным флуоресцентным «штрих-кодом» для лёгкой идентификации и измерения без повреждения клетки. Техника практически не имеет ограничений на количество различных типов молекул, которые можно обнаружить в одной клетке.

Метод, названный FISH SCALYS (FISH Sequential Coding anALYSis), представляет собой инновационную схему последовательного штрих-кодирования, которая выводит известную процедуру флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) на новый уровень.

FISH использует молекулярные зонды — короткие фрагменты ДНК, связанные с флуоресцентными красителями (флуорофорами). Эти зонды связываются (гибридизуются) с ДНК или РНК, имеющими комплементарные последовательности. При микроскопии флуорофор светится, указывая на локализацию целевой молекулы.

Обычно для идентификации нескольких разных генов используют разные флуорофоры (например, красный для одного типа mRNA, синий для другого). Однако если нужно визуализировать больше типов молекул, чем доступно флуорофоров, возможности метода ограничены (~30 различных молекул).

Команда Кая предложила использовать один и тот же набор флуорофоров в последовательных раундах гибридизации для создания тысяч уникальных флуоресцентных штрих-кодов. Каждая меченая молекула остаётся одного цвета в каждом раунде, но за несколько раундов формируется штрих-код, что позволяет различать цвета.

Количество доступных штрих-кодов потенциально огромно: F^N, где F — количество флуорофоров, а N — количество раундов гибридизации. Например, при использовании четырёх красителей и восьми раундов гибридизации можно получить более чем достаточно штрих-кодов (4⁸ = 65 536), чтобы покрыть все ~20 000 молекул РНК в клетке.

FISH SCALYS можно использовать для определения молекулярной идентичности различных типов клеток, включая эмбриональные стволовые клетки, сравнивая, какие наборы генов включены или выключены. Метод также может дать представление о том, как болезни изменяют клетки, позволяя сравнивать экспрессию большого числа генов в нормальной и поражённой ткани.

Лонг Кай получил финансирование от McKnight Endowment Fund for Neuroscience для адаптации метода с целью идентификации различных типов нейронов в образцах из гиппокампа — области мозга, связанной с памятью и обучением.

Через Бекмановский институт Калтеха Кай также руководит программой, помогающей другим исследователям применять этот метод визуализации для решения разнообразных биологических вопросов.