量子点标记实现活细胞内单拷贝艾滋病毒基因的原位成像
摘要：艾滋病毒基因组RNA逆转录为DNA，整合在宿主染色体内形成前病毒（HIV provirus），是根除艾滋病毒的最大障碍。在活细胞内对单拷贝或低拷贝的整合态HIV基因标记与成像，对前病毒的识别和切除具有重要意义，但一直是个难题。最近，中国科学院武汉病毒研究所崔宗强研究员与中国科学院生物物理所张先恩研究员合作，利用量子点标记转录激活子样效应因子（TALEs）探针，在活细胞内单拷贝基因荧光标记与成像方面取得突破，实现了单拷贝整合态HIV前病毒DNA原位标记、动态成像和3D定位分析。
艾滋病毒基因组RNA逆转录为DNA，整合在宿主染色体内形成前病毒（HIVprovirus），是根除艾滋病毒的最大障碍。在活细胞内对单拷贝或低拷贝的整合态HIV基因标记与成像，对前病毒的识别和切除具有重要意义，但一直是个难题。最近，中国科学院武汉病毒研究所崔宗强研究员与中国科学院生物物理所张先恩研究员合作，利用量子点标记转录激活子样效应因子（TALEs）探针，在活细胞内单拷贝基因荧光标记与成像方面取得突破，实现了单拷贝整合态HIV前病毒DNA原位标记、动态成像和3D定位分析。研究成果于5月8日在《NatureCommunications》在线发表，马英新和王明秀为论文的共同第一作者。
研究人员首先设计筛选了特异性识别HIV-1前病毒基因的TALE识别元件。基于反式环辛烯（TCO2）与四嗪（Tz1）的生物正交反应，以及链霉亲和素（SA）与生物素（Biotin）的特异性结合反应，建立活细胞内针对TALEs的量子点标记技术。通过“时-空耦合”设计,利用不同类型的生物正交反应，获得不同颜色量子点标记的TALE探针。量子点-TALE探针特异性标记整合在染色体上的HIV前病毒DNA，实现了活细胞内单拷贝整合态前病毒DNA原位标记与成像。在整合HIV前病毒DNA的潜伏感染细胞中，可以对HIV前病毒进行实时动态示踪和3D定位分析，并测定单细胞内整合态前病毒的数目。
该研究实现了活细胞内单拷贝整合态HIV基因的荧光标记与成像，对于HIV前病毒的高灵敏特异识别和原位分析、以及病毒整合与潜伏感染等关键机制的研究和理解均具有重要意义。所建立的量子点-TALE探针单基因识别技术，也可以用于其他与疾病和细胞功能相关的任意单拷贝基因的荧光标记与影像分析，为染色体内单基因定位、功能结构和时空动态等研究提供了技术手段。
该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院重点项目等基金项目的资助。北京化工大学参与了该项研究。
Livecellimagingofsinglegenomiclociwithquantumdot-labeledTALEs
Abstract
Singlegenomiclociareoftenrelatedtospecificcellularfunctions,geneticdiseases,orpathogenicinfections.Visualizationofsinglegenomiclociinlivehumancellsiscurrentlyofgreatinterest,yetitremainschallenging.Here,wedescribeastrategyforlivecellimagingofsinglegenomiclocibycombiningtranscriptionactivator-likeeffectors(TALEs)withaquantumdotlabellingtechnique.WedesignandselectapairofTALEsthatspecificallytargetHIV-1proviralDNAsequences,andusebioorthogonalligationreactionstolabelthemwithdifferentcolourquantumdots(QDs).TheseQD-labelledTALEsareabletoenterthecellnucleustoprovidefluorescentsignalstoidentifysinglegeneloci.Basedontheco-localizationofthepairofdifferentcolouredQD-labelledTALEs,wedetermineandmapsingle-copyHIV-1proviruslociinhumanchromosomesinlivehostcells.
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