[Nature][分子生物学] 完整生物系统的结构性和分子性探索

论文： Structural and molecular interrogation of intact biological systems 完整生物系统的结构性和分子性探索 论文摘要（中文）： http://www.jijitang.com/note/4500 论文全文（英文）： http://www.stanford.edu/group/dlab/papers/Chung%20Nature%202013.pdf 相关唧唧堂调查主题：暂无 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 论文摘要 从一个复杂的系统中获取高分辨率信息同时保有具有能理解系统功能的全局观代表了生物学中一个关键的挑战。在项研究中，我们运用了一种名为CLARITY的方法来处理这一挑战。这种方法是将完整组织转变成纳米多孔水凝胶杂交形态（交联到一个亲水性聚合物的三维网络），这种完全组合的形态又具有光学透明性和大分子渗透性。我们 利用小鼠的大脑展示了远距投射，本地回路，细胞间关系，亚细胞结构，蛋白质复合物，核酸和神经递质的完整组织成像。CLARITY方法也使得完整组织的原位杂交，以及在非切片组织中进行多轮染色去色的免疫组织化学，还有对完整成年小鼠大脑抗体进行标记成为可能。最后，我们证明了CLARITY方法使得对包含具有神经精神疾病背景的非切片人体组织在内的临床样本进行精细结构分析成为可能，这为人体组织转变成一个适于探索生理功能及疾病结构性和分子性基础的稳定，完整和易相处的形态建立了路径。 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 唧唧堂调查 生物通报道：斯坦福大学的研究人员将神经学与化学工程结合起来，获得了透明而完整的小鼠大脑，这一新技术保留了大脑3D结构、神经回路及其他生物机制的完整性，展现了大脑中复杂的精细连接和分子结构。在此基础上，人们可以根据需要通过光或化学物质进行研究，文章发表在四月十日的Nature杂志上。 这一被称为CLARITY的突破性技术，将人们带入了完整器官成像的全新领域，有望从根本上改变我们对大脑等重要器官的理解。通过该技术人们可以对完整大脑进行化学、遗传学和光学分析，而这些研究此前只能在组织切片上进行。 该技术采用一种透明凝胶来替代大脑中的脂类，让大脑组织变得透明且可渗透。在此基础上，人们得以在细胞/分子水平上对完整大脑进行高分辨率成像。这项研究由斯坦福大学的Karl Deisseroth博士领导，该跨学科团队中还包括Kwanghun Chung博士。 “CLARITY将有助于综合理解大规模的完整生物系统，”Deisseroth。“让我们能够在保持神经结构连续性的同时，研究亚细胞的蛋白和分子，分析远程回路、局部回路和细胞空间联系。” “这一成就将转变我们研究大脑的方式，”NIMH主管Thomas R. Insel评论道。“重要器官的深入研究将不再受到二维方法的限制。”此前，要在高分辨上研究大脑的内部结构，人们需要将大脑组织切成极薄的切片，而这样会切断大脑中的回路。这种缺乏完整性的方法，使人们很难将微观发现与宏观现象关联起来。 现在，研究人员通过CLARITY技术，在保持大脑完整性的同时，抽出了大脑中的不透明物质（脂类）。脂类在大脑中帮助形成细胞膜，并赋予大脑多种结构，不过也令化学物质和光线难以深入大脑。 研究人员用一种水凝胶来替换大脑中的脂类，他们将死后的完整大脑浸入水凝胶溶液，让溶液中的单体进入组织，然后对其稍微加热。在差不多达到体温时，上述单体开始凝聚为长分子链，在大脑中形成高分子网络。这一网络能够支持大脑中的所有结构，但不会结合脂类。随后，研究人员快速将脂类抽出，获得了完整透明的3D大脑，大脑中的神经元、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等等都完好的维持在原位。他们将这一技术成为Clear Lipid-exchanged Anatomically Rigid Imaging或immunostaining-compatible Tissue Hydrogel，简称CLARITY。 研究人员构建了表达荧光蛋白的小鼠，并用CLARITY成像了它的整个大脑。他们用传统显微镜展示了其中的发光信息，例如蛋白嵌入细胞膜和单个神经纤维。又通过电镜揭示了其中的精细结构，例如突触。 研究还显示，在CLARITY处理的小鼠大脑中，荧光抗体能够使其特异性结合的目标发光。在这一系统中，人们可以追溯神经环路，解析局部环路的细微差异，观察细胞间的联系和分析亚细胞结构。此外，人们还可以利用这一技术，探寻蛋白复合体、核酸和神经递质之间的化学关联。 这项技术的另一个重要亮点在于，人们可以去除已染色的荧光抗体，并用其他抗体进行重新染色，以便在同一个大脑中研究不同的分子目标。研究显示，这种染色/退色过程可以重复多次。 研究人员还通过CLARITY技术，分析了一个孤独症患者死后的大脑标本。尽管该标本已经用甲醛保存了六年，CLARITY技术仍能帮助人们研究其中的神经纤维、神经元细胞体及其延伸部分。