近50年来，细胞的电镜成像领域依赖基于传统的抗体免疫金标记技术识别细胞中的蛋白质分子。传统免疫金标记技术，受到抗体及抗原的稳定性和特异性、化学固定剂、细胞切片渗透性，胶体金颗粒大小等因素影响，通常标记效率很低（低于10%），甚至无法标记，因此多数情况只能标记上细胞切片表面的极少部分抗原 。此外， 传统免疫标记需要标记每一个切片，对于细胞组织样品大尺度的标记是十分费钱、费时、费力的工作。尽管目前超分辨率荧光显微学成像技术已经可以对细胞中的分子进行单分子水平的成像，但因无法对没有标记的多数分子甚至细胞器成像，通常需要借助于非常复杂低效的光镜-电镜关联成像技术来弥补。因此，细胞生物学家迫切希望电镜领域也能够开发出类似光学显微成像领域广泛应用的 GFP标记技术，通过遗传操作来实现细胞及生物组织的电镜超微结构样品上的分子识别和精确定位，因此可称之为基于遗传编码的可克隆电镜标记技术。

目前科学家们尝试了两类基于遗传编码的可克隆电镜标记技术。第一类是利用标记蛋白介导释放超氧离子聚合3,3’-diaminobenzenidine后与重金属离子反应形成高电子密度沉淀物示踪，但因为超氧离子扩散速度极快无法实现单个分子定位，只适合相对密闭空间的高浓度标记分子进行展示，例如Alice Ting研究组开发的APEX标记。第二类是重金属离子直接与标记蛋白结合形成纳米金属颗粒示踪，例如富含半胱氨酸的金属结合蛋白（Metallothionein，简称MT；抗冻蛋白AFP等）以及铁蛋白多聚合体（ferritin），但铁蛋白多聚合体太大不适合做单分子标记。2006年David DeRosier研究组首次提出利用纯化的MT蛋白结合金离子可形成纳米金颗粒的特性可用来开发可克隆电镜标记。随后其他几个小组尝试利用MT开发可克隆标记技术，然而受技术限制（如高背景噪声导致特异性差，金离子无法有效进入细胞，合成金颗粒效率低，金颗粒太小等），迄今没有开发出适合细胞超微结构成像的可克隆电镜标记技术。

2020 年8月10日，北京生命科学研究所何万中实验室在Nature Methods杂志上在线发表题为“Genetically encoded tags for direct synthesis of EM-visible gold nanoparticles in cells”的文章。该研究经过十年的探索原创开发了一种新型克隆电镜标记技术（图1），直接在细胞中遗传编码表达的标记蛋白上原位合成纳米金颗粒，从而实现细胞超微结构上单分子水平的精确识别与定位，为细胞的电镜超微结构单分子水平研究提供了新的研究工具。

图1. 基于遗传编码的可克隆电镜标记技术的开发a. 可克隆电镜标记技术概念图。b. Brust-Schiffrin方法 （BSM）合成纳米金颗粒原理， 及一价金离子与硫醇的两种结合方式（1:1和2:1模式）。c. 经典的BSM合成条件下（1）富半胱氨酸标记蛋白和1:1一价金硫醇盐聚合物均可同时形成金颗粒， 何万中研究组发现了一种自成核抑制机制（ANSM）可以在可溶的2:1 一价金硫醇盐条件下（2）特异性地在标记蛋白上合成纳米金颗粒（完全抑制非标记自成核金颗粒背景噪声） 。d. 稳定表达Ost4-GFP-MTn的HeLa细胞的荧光显微像。e. 预期Ost4-GFP-MTn蛋白上成功合成纳米金颗粒后在内质网（ER）膜上的定位图。f.  用基于ANSM的可克隆电镜标记技术处理过的 HeLa细胞（表达Ost4-GFP-MTn）切片的电镜照片，显示高密度的纳米金颗粒成功定位于朝向细胞质的ER膜上。

图2. 可克隆电镜标记技术在三种模式细胞（细菌，酵母和哺乳动物细胞）中的应用a. 表达MBP-FliG-MTn的大肠杆菌中合成纳米金颗粒。b. 表达Ost4-GFP-MTa的酵母细胞中纳米金颗粒特异性定位于内质网膜（ER）上。c. 表达Ost4-GFP-MTn的酵母细胞中纳米金颗粒特异性定位于核膜和内质网膜（ER）上。d. 稳定表达 GFP-MT-KDEL的HeLa细胞中纳米金颗粒特异性定位于内质网（ER）内腔中。e. 稳定表达 Mito-acGFP-MTn的HeLa细胞中纳米金颗粒特异线粒体（M）基质中。