一項結(jié)合速度優(yōu)化的DNA鏡像序列成像新策略實現(xiàn)高效12重超分辨成像

在生命科學(xué)領(lǐng)域，理解細胞分子結(jié)構(gòu)的納米級細節(jié)對揭示宏觀生物功能至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)成像技術(shù)如免疫熒光或質(zhì)譜成像的空間分辨率受限，難以捕捉蛋白質(zhì)相互作用的分子尺度信息。盡管超分辨顯微鏡技術(shù)如STORM或DNA-PAINT已實現(xiàn)納米級分辨率，但其多靶標(biāo)成像能力受限于熒光標(biāo)記通道數(shù)目和成像速度。本文介紹了一項結(jié)合速度優(yōu)化的右旋DNA與左旋DNA（鏡像序列）的成像新策略，實現(xiàn)了高效12重超分辨成像。該方法通過簡化標(biāo)記流程，在單蛋白分辨率下對復(fù)雜神經(jīng)元互作網(wǎng)絡(luò)進行三維測繪，僅需10小時即可完成200×200微米的大視野成像，將傳統(tǒng)需數(shù)周的實驗壓縮至一天內(nèi)完成。

本研究成果由Eduard M. Unterauer、Eva-Maria Schentarra、Isabelle Pachmayr、Taisha Tashrin等共同主導(dǎo)，題為《Left-handed DNA for efficient highly multiplexed imaging at single-protein resolution》，于2025年10月《Nature Communications》正式發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01左旋DNA-PAINT技術(shù)原理與序列優(yōu)化
研究團隊基于右旋DNA-PAINT的速度優(yōu)化序列（R1-R6），設(shè)計并合成了其鏡像版本——左旋DNA序列（L1-L6）。這兩種序列在結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)上互為鏡像，但具有相同的雜交特異性。通過將6條右旋和6條左旋序列組合，構(gòu)建出12通道正交探針庫，可直接用于Exchange-PAINT工作流程，無需引入次級標(biāo)記或鏈置換反應(yīng)。這種設(shè)計顯著降低了實驗復(fù)雜度，避免了對瞬態(tài)DNA條形碼的依賴，使非專業(yè)用戶也能輕松實現(xiàn)高性能多重成像。

在細胞環(huán)境中，團隊選取核孔蛋白Nup96、線粒體外膜蛋白Tom20和微管蛋白α-Tubulin作為超分辨成像基準標(biāo)志物。通過3D成像，不僅分辨出核孔復(fù)合體中相距約13納米的單個Nup96蛋白，還清晰呈現(xiàn)了線粒體膜上Tom20的分布以及直徑約30納米的微管纖維結(jié)構(gòu)。

該圖譜首次在單蛋白分辨率下揭示了興奮性突觸（Bassoon、PSD95、VGlut1）與抑制性突觸（Bassoon、Gephyrin、VGAT）的分子組成，并發(fā)現(xiàn)了一種新型混合突觸（Gephyrin與VGlut1共定位）。此外，研究還觀察到過氧化物酶體（Pmp70）與高爾基體（Golga5）間的潛在膜接觸位點，為細胞器間通訊研究提供了新線索。通過三維渲染，清晰展示了βII-血影蛋白的環(huán)狀結(jié)構(gòu)、神經(jīng)纖維絲的分布以及線粒體在軸突和樹突中的形態(tài)多樣性。

創(chuàng)新與亮點
01突破多重成像的速度瓶頸
本研究最大創(chuàng)新點在于將左旋DNA序列引入速度優(yōu)化DNA-PAINT框架，解決了高階多重超分辨成像中速度與復(fù)雜度難以兼顧的難題。傳統(tǒng)多重成像需依賴有限的光譜通道或耗時的探針交換流程，而左-右旋DNA組合將可用序列空間擴展一倍，在不增加光學(xué)硬件負擔(dān)的前提下實現(xiàn)12重并行檢測。其成像速度較常規(guī)Exchange-PAINT提升兩個數(shù)量級，使大視野納米級空間蛋白質(zhì)組學(xué)分析進入“小時級”時代。

總結(jié)與展望
左旋DNA-PAINT技術(shù)通過巧妙利用鏡像核酸化學(xué)，成功打破了超分辨多重成像在通量、速度與易用性之間的平衡瓶頸。其能夠在單蛋白分辨率下，以小時級耗時完成復(fù)雜
細胞系統(tǒng)的多靶標(biāo)測繪，為空間蛋白質(zhì)組學(xué)研究樹立了新標(biāo)桿。未來，該技術(shù)可與肽段-PAINT、擴增標(biāo)記等策略進一步結(jié)合，將 multiplexing 能力提升至數(shù)十甚至上百種靶標(biāo)。隨著更多針對疾病標(biāo)志物的親和試劑的開發(fā)，這一方法有望在精準醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，例如用于病理切片中稀有生物標(biāo)志物的定量分析或藥物靶點分布的納米級評估。盡管技術(shù)在標(biāo)記效率、三維成像深度方面仍有優(yōu)化空間，但其無疑為生命科學(xué)研究者提供了一把解鎖細胞納米世界的鑰匙。

DOI:10.1038/s41467-025-64228-x.