用靶向DNA原位纳米分辨成像法在单细胞水平上探索多能性相关基因的染色质三维构像及其对基因表达调控的影响

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31871293
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0601.遗传物质结构与功能
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Three-dimensional (3D) chromatin organization has been revealed to play a role in gene transcription regulation and cell identity determination. Chromosome conformation capture (3C)-based technologies, main approaches in genome organization study, have revealed the existence of topologically-associated domain (TAD) and compartment A/B in genome of mammalian cells. It also showed that some long-range genomic interactions specifically occur in embryonic stem cell (ESC) rather their differentiated cells. In the past three years, we developed a molecular beacon-based nanoresolution imaging method for imaging a non-repetitive genomic sequence as short as 2.5 kb in chromatin of single mammalian cells. Based on this new method as well as other techniques like CRISPR/Cas9-mediated knockout, this proposed study is to directly visualize the interactions between promoter and other elements within Oct4 or Nanog locus in single hESC or mESC, thus obtaining the ESC-specific 3D folding of Oct4 or Nanog locus. Via analyzing the published data from chromatin conformation capture-based technologies and chromatin immuno-precipitation, we will list the potential elements that possibly interact with promoter within Oct or Nanog locus. Then, we will take the advantage of the specific DNA nanoresolution imaging method that has been well-established with sequence resolution of 2.5 kb in our lab, visualize the promoter-genomic element interactions within Oct4 or Nanog locus in single hESCs or mESC as well as their differentiated cells, and obtain the ESC-specific 3D conformation of Oct4 or Nanog locus. Next, we will investigate the relationship between promoter-genomic element interactions and gene expression at single ESCs with the use of the specific DNA nanoresolution imaging, CRISPR/Cas9 knockout, and homogeneous insertion. Finally, we will assess potential effects of 3D conformation of Oct4 or Nanog locus on ESC pluripotency . Taken together, the proposed study would reveal the ESC-specific 3D conformation of Oct4 or Nanog locus as well as its role in gene expression and ESC pluripotency.
人体不同类型细胞的基因组一级序列基本相同,三维折叠方式各不相同;染色质三维折叠参与影响细胞特异的转录及功能。染色体构象捕获系列技术揭示了染色质中拓扑结构域和区室的存在,同时显示了胚胎干细胞(ESC)染色质中存在特异的相互作用,为三维基因组研究奠定基础。我们团队建立了靶向DNA原位纳米分辨成像法,实现对小鼠或人类染色质中短至2.5 kb的非重复的特异DNA片段进行原位观察。在此基础上,本申请研究首先将基于文献确定人类和小鼠ESC的Oct4或Nanog基因座上与启动子可能存在相互作用的一系列位点;在ESC及其分化细胞中,通过靶向DNA原位纳米分辨成像确定Oct4或Nanog基因座上确实与启动子相互作用的位点,并观察同一细胞中两个等位基因座上的相互作用情况,获得Oct4或Nanog基因座在ESC中的三维折叠方式;最后在单细胞水平建立Oct4或Nanog基因座三维折叠与基因表达和细胞多能性的关系。

结项摘要

细胞生物学的发展与光学新技术的发展密不可分,推动生物学研究的一次次飞跃。然而,由于衍射现象的存在,传统光学显微镜的分辨率被限制在横向200 nm和轴向500 nm左右。随机光学重建显微方法 (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy,STORM)的出现和快速发展,理论上可以实现定位精度高达一至几纳米,能够满足对细胞内超微结构研究的需要。.胚胎干细胞多能性的维持及状态转变过程中多能性基因及谱系基因的三维结构和表达的研究是了解生命个体发育早期奥秘的重要方向,促进提高人口质量,它的研究亟需新技术的应用。针对这些问题,本项目实现将当前最高分辨率的STORM与胚胎干细胞的多能性维持及转换研究的结合,建立了靶向DNA原位纳米分辨成像法,实现对小鼠或人类染色质中短至2.5 kb的非重复的特异DNA片段进行原位观察。在此基础上,我们将该标记方法与双色超分辨结合,研究胚胎干细胞NANOG基因座不同位点的相互作用以及NANOG启动子与SOX2增强子间的相互作用,并进一步研究诱导分化细胞NANOG基因座不同位点的相互作用。与此同时,我们采用包括RNAseq在内的其它研究手段,开展一系列研究胚胎干细胞多能性转变和谱系基因的初始表达如何受细胞表面信号调控,最后,我进行的ChIP-seqencing 揭示分化mESC基因组序列上转录抑制复合体PRC2结合所受的调节。除此之外,STORM应用于胚胎干细胞研究为该超分辨成像技术提出新的问题和挑战,我们也针对这些问题和挑战开展对STORM在细胞超微结构应用的研究,促进双色三维超分辨成像平台的优化和成熟,为进一步为生物学研究服务提供基础。.本项目部分结果已经发表于2021年Nanophotonics (2022; 11(1): 53–65,本项目负责人是独立通讯作者);有另外两部分研究工作已完成论文书写、正在投稿之中(这两篇文章本申请人是通讯作者,本基金是第一致谢基金),与此同时本基金产生的一项发明专利已经获得授权,第二项发明专利已经提交,第三、第四发明专利正在修改中,将在2023年初提交。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Improved localization precision via restricting confined biomolecule stochastic motion in single-molecule localization microscopy.
通过限制单分子定位显微镜中受限生物分子随机运动提高定位精度。
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Nanophotonics
  • 影响因子:
    7.5
  • 作者:
    Jielei Ni;Bo Cao;Gang Niu;Danni Chen;Guotao Liang;Tingying Xia;Heng Li;Chen Xu;Jingyu Wang;Wanlong Zhang;Yilin Zhang;Xiaocong Yuan;Yanxiang Ni
  • 通讯作者:
    Yanxiang Ni

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其他文献

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倪燕翔的其他基金

在单个活细胞上对脂筏纳米结构进行三维动态纳米成像并研究其变化对衰老细胞的影响
  • 批准号:
    31401146
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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