一种可以分辨细胞中核心组分的新型显微镜技术

       由于细胞的许多核心组分的大小都只有几纳米，如 DNA、RNA、蛋白质和脂类等，远远小于传统光学显微镜的分辨率极限，因此这些分子和结构的确切组成和排列通常是未知的。这导致缺乏对生物学基本机制的理解。借鉴超分辨成像技术的最新进展，包括单分子定位显微镜技术（SMLM），来自马克斯普朗克生物化学研究所和路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学的研究人员开发了一种将荧光显微镜的分辨率提高到埃量级的技术。该研究团队的技术能够从研究整个完整的细胞，一直到 DNA 中两个相邻碱基之间的距离，而不仅仅是单个蛋白质。来自Ralf Jungmann小组的研究人员将这种技术称为序列图像超分辨率技术（RESI）。

       目前，SMLM通过在时间上分离结构的单个荧光发射来解析大约10纳米的结构。由于单个目标在一个黑暗的视场中随机发光，因此可以用亚衍射精度确定它们的位置。SMLM-点累计纳米成像技术（DNA-PAINT）利用染料标记的DNA“成像器”链与其目标结合的互补物的瞬时混合来实现超分辨率所需的发光。然而，迄今为止，DNA-PAINT 和其他超分辨方法都无法分辨最小的细胞结构。RESI是在DNA-PAINT的基础上建立的，并且利用了其通过DNA序列编码目标身份的能力。通过使用不同的DNA链标记相邻的目标（它们彼此靠得太近，即使通过超分辨率显微镜也无法分辨），在样品中加入额外的区分度——条形码。通过先对一个DNA序列成像，然后对另一个DNA序列成像，从而捕获完整的目标，现在可以明确地分离这些链。至关重要的是，由于它们是按顺序成像的，因此目标之间可以任意靠近彼此，这是现有技术无法解决的动态问题。此外，RESI 不需要专门的仪器，可以使用任何标准荧光显微镜进行实验。

RESI技术能够对不同尺度下的目标以埃量级的分辨率进行显微观测：从整个细胞、单个蛋白质到邻近DNA碱基间的距离。图片来源：马克斯普朗克生物化学研究所。

       为了展示RESI与其他方法相比在分辨率方面的飞跃，研究人员尝试解析DNA双螺旋中单个碱基之间小于1纳米的距离。他们设计了一种DNA折纸纳米结构，呈现出单链 DNA 序列，以一个碱基对的距离从双螺旋中突出来。然后，研究人员依次对这些单链进行成像，并解析出相邻碱基之间 0.85 nm（8.5 Å）的距离。他们的测量精度可以达到1埃，即十亿分之一米。据研究人员称，该技术是通用的，适用于除了DNA纳米结构之外的其他领域。在单独的测试中，Jungmann和他的团队研究了抗CD20单克隆抗体利妥昔单抗的分子作用模式，该抗体是一种用于治疗 CD20 阳性的血液癌症。研究此类药物分子对分子受体模式的影响已经超出了传统显微镜技术的空间分辨率能力。了解这些模式在健康和疾病以及治疗过程中是否以及如何发生变化，对于机制研究和有针对性的治疗设计非常重要。

       研究人员使用RESI揭示了未经处理的细胞中 CD20 受体作为二聚体的自然排列方式，并揭示了 CD20 如何在药物治疗后重新排列成二聚体链。由于RESI是在整个完整的细胞中进行的，因此该技术弥补了纯结构技术（如 X 射线晶体学或低温电子显微镜）和传统低分辨率的全细胞成像方法之间的差距。该研究成果已经发表在《Nature》杂志上( www.doi.org/10.1038/s41586-023-05925-9 )。