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光學工程
超高分辨成像技術實現納米尺度的活細胞核內動態觀測

哺乳細胞的細胞核是一個高度復雜的自組裝結構,已有大量證據表明基因表達調控過程經常伴隨著染色質結構的動態變化。基于電子顯微鏡和免疫熒光顯微鏡的觀察,分子生物學研究者發現細胞核中有多個RNA Pol II(RNA聚合酶II)集合的位點,多個基因被招募到這些位點共轉錄,因此有人提出轉錄工廠模型。然而受研究手段的限制,轉錄工廠模型存在較大爭議:以往的形態學觀察主要依賴于電鏡和熒光顯微鏡,電鏡雖然分辨率高,但無法提供活細胞動態信息;熒光顯微鏡則受光學原理限制,缺乏納米尺度的分辨率。因此,通過應用和發展分子成像新儀器新技術,實現對轉錄工廠RNA Pol II cluster(RNA聚合酶II復合物)的動態定量觀測對其生物學機制的研究具有重要意義。

近日,北京大學生物動態光學成像中心孫育杰研究員課題組應用新型超分辨成像技術實現了活細胞單個轉錄工廠RNA聚合酶II復合物的動態過程觀測和定量分析,研究成果發表在學術期刊ACS Nano [10(2), 2447-2454 (2016)] 上。

超分辨率重建技術是指利用圖像處理技術,從拍攝到的一組低分辨率圖像中重建出一幅高分辨率圖像,增強圖像中的高頻分量并消除由低分辨率成像系統產生的圖像退化,從而突破硬件系統對圖像分辨率的限制。通過應用和發展貝葉斯超分辨率顯微技術及新算法,研究人員在活細胞的細胞核內原位觀察到了單個轉錄工廠的組裝和解聚的動態過程,以50nm空間分辨率和4秒時間分辨率,測量了活細胞內轉錄工廠的數目和大小隨時間及細胞環境的變化,揭示了轉錄工廠產生和消失的異質性,支持了轉錄工廠產生的on-demand(“立即響應”式)模型,證明了轉錄工廠在pre-elongation phase(延長前期)招募Pol II (RNA聚合酶II)分子。

該成像分析方法也可以應用到其他納米尺度的活細胞核內動態觀測研究,對推動生命科學基礎研究發展有重要意義。

應用貝葉斯超分辨率顯微技術原位觀察細胞核內單個轉錄工廠


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