基因組的三維結構（three-dimensionalgenome structure）影響到了DNA相關的各種細胞活動。每個人體細胞核裡有約2米長的基因組DNA，這些DNA是如何有序地摺疊成各種結構，以及這些結構對應的生物學功能一直以來是一個廣受關注的問題。
基於高通量測序的染色質構象捕獲技術（3C和Hi-C）已經發現以及詳細討論了染色體在不同層級上的結構，其中包括染色質環（loops）、 拓撲結構域（TADs）以及活躍與失活的區室（A/Bcompartments）。這些不同層級上的結構也被證實是廣泛存在於各種物種的各種細胞，並且對基因表達調控有各種影響。但是當Hi-C技術應用於單細胞時，受限於單細胞測序的效率，很難高通量地測得高解析度的染色體結構。
螢光原位雜交技術（Fluorescent insitu hybridization, FISH）自上世紀70年代發明以來，長期被用於在細胞或組織切片中直接觀測目標DNA或RNA。哈佛大學莊小威實驗室在此之前已發表多篇基於螢光原位雜交技術的新技術，其中通過連續的DNA螢光原位雜交（sequential DNA FISH）在單細胞中標記了21號染色體的所有拓撲結構域（TADs）觀察其如何形成活躍與失活的區室（A/B compartments），以及以30kb的解析度下使用朝高解析度顯微鏡觀測了拓撲結構域（TADs）中的精細結構。在其中通過連續的螢光原位雜交（sequential FISH）的基礎上，通過給每個RNA設計標記的組合，Multiplexed error robust fluorescent in situ hybridization（MERFISH）技術實現了高效地同時檢測多種RNA。如何將現有的高解析度染色體結構標記擴展至全染色體或全基因組，以及如何將高通量的RNA和DNA標記結合，在技術上需要進一步的突破。
2020年8月20日，莊小威實驗室在Cell 以Resource形式發表題為「Genome-Scale Imaging of the 3D Organization and Transcriptional Activity of Chromatin」的論文，進一步擴展了染色質DNA三維結構觀測的通量，並且同時在單細胞中實現了DNA、RNA和蛋白質的標記。
首先，這一技術通過連續標記50kb DNA片段，在21號染色體上標記了全部可標記片段，直接觀測了21號染色體50kb解析度全染色體結構。在此基礎上，以5kb解析度標記了84個轉錄起始位點（TSS）以及新生RNA（Nascent RNA）。通過這些數據，作者進一步分析了轉錄活性與活躍與失活的區室（A/B compartments）在三維空間分布的關係。
21號染色體作為最小的常染色體，可能有其特殊性。作者也使用了這一技術以250kb解析度標記了2號染色體上接近1000個區域，在得到了完整的2號染色體結構的基礎上，進一步分析了活躍與失活的區室（A/B compartments）在單細胞中是通過偏好的長程的活躍-活躍（A-A）相互作用以及短程的失活-失活（B-B）相互作用形成的。
接下來作者進一步借用MERFISH的思路，將散布在全基因組的1000個區域進行編碼標記，實現了更高效的全基因組三維結構直接觀測(DNA-MERFISH)。通過這一策略將實驗的時間大幅縮短，使得高通量的單細胞全細胞核三維結構直接觀測成為可能。
在此基礎上，DNA-MERFISH進一步結合了新生RNA（Nascent RNA）以及相關的細胞核內結構，核仁（nucleolus）和核斑（nuclear speckle）內的特徵蛋白質，進一步刻畫了轉錄水平與細胞核內環境的關係。
綜合上述來看，這篇文章為研究染色質DNA三維結構提供了一個系統的解決方案。在需要高密度標記的高解析度染色體結構的研究上，通過連續的螢光原位雜交技術實現了大量穩定的標記。在研究範圍擴展到全基因組時，使用MERFISH類似的思路實現高效的標記。這一技術可以與各種RNA的螢光原位雜交，以及蛋白質的免疫螢光（IF）直接結合，為將來各種可能的應用場景提供了可能。本文同時作為一篇Resource文章，公開地提供了超過1萬條21號染色體單細胞結構以及超過1萬個細胞的全基因組結構（https://zenodo.org/record/3928890）以及詳細的分析案例，這也為整個領域的研究提供了豐富的資源。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.032