發(fā)布日期：2018-03-27
近日《Nature》上發(fā)表了題為“technology to watch in 2018”的文章，來自世界頂尖學(xué)府和研究機構(gòu)的專家學(xué)者們就2018年將會對生命科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響的多項先進技術(shù)進行了精彩介紹。這些技術(shù)中涵蓋了從基因組重編碼、轉(zhuǎn)錄組圖譜繪制、腫瘤疫苗的研發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用等方方面面。
1.重編碼基因組 --- George Church，哈佛醫(yī)學(xué)院，遺傳學(xué)家
能同時完成多個基因位點修改的新技術(shù)問世了！“密碼子重編碼” (Codonrecoding)是一種通用的、使各種生物體對大部分或所有病毒產(chǎn)生抗性，并可一次精確改變每個細胞中成千上百個位點的基因編輯技術(shù)。利用遺傳密碼中的冗余來替換任何一個密碼子，一旦完成這些替換，細胞將不再識別該序列。當一種病毒感染具有所有這些密碼子的細胞時，由于缺少tRNA，病毒便不能將其信使RNA?轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)，病毒就會死亡。
為了一次做出多個精確的改變，實驗人員利用了多重自動基因組工程（multiplexed automated genome engineering, MAGE）技術(shù)將包含靶向堿基對的遺傳物質(zhì)短片段引入到防止DNA錯配修復(fù)的細胞中。經(jīng)過幾輪細胞復(fù)制后，這些遺傳物質(zhì)被完全整合到細菌基因組中。
事實上，重編碼技術(shù)能做的事情遠不止于此。例如研究人員開發(fā)了另一種重編碼技術(shù)來改進鼠傷寒沙門氏菌（Salmonellatyphimurium）的疫苗株；或是重編碼一種生物體，將非標準的氨基酸引入蛋白質(zhì)中，以便引入生物體中原先不存在的化學(xué)物質(zhì)：發(fā)光或與核酸結(jié)合，或形成不尋常的鍵的氨基酸。最后，重編碼技術(shù)還為生物防護（bio-containment）提供了強有力的策略?！?/p>
2. 轉(zhuǎn)錄組圖譜繪制 --- 莊小威，哈佛大學(xué)高級成像中心，主任
最近推出的人類細胞圖譜（Human CellAtlas, HCA）計劃旨在確定人體內(nèi)所有的細胞類型，并繪制其空間分布，該計劃目標遠大。這個規(guī)模的項目將需要許多輔助技術(shù)。
單細胞RNA測序是識別不同細胞類型的有效方法，也是繪制HCA的重要工具，傳統(tǒng)單細胞分離再提取RNA的方法損失了組織中細胞的空間環(huán)境信息——這些細胞是如何組織在一起并相互作用的相關(guān)信息。
該中心正在開發(fā)一種基于圖像的單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法——多重抗誤差矯正熒光原位雜交技術(shù)（multiplexederror-robust fluorescence in situ hybridization, MERFISH），MERFISH使用出錯率低的條形碼識別細胞中的每種不同類型的RNA，以大規(guī)模復(fù)合方式標記和連續(xù)成像來檢測這些條形碼，從而實現(xiàn)對完整組織中細胞的轉(zhuǎn)錄譜成像從而研究其空間背景。
MERFISH?技術(shù)可以在單細胞中對1000?種不同的mRNA?進行成像。隨著進一步發(fā)展，MERFISH有可能檢測完整組織的細胞中的全部轉(zhuǎn)錄組。
3. 推進腫瘤疫苗的應(yīng)用 --- Elaine Mardis，俄亥俄州哥倫布市全國兒童醫(yī)院基因組醫(yī)學(xué)研究所，聯(lián)合執(zhí)行主任
通常在癌癥患者體內(nèi)都會存在一些因癌細胞基因突變而產(chǎn)生的異常的蛋白質(zhì)，被稱為腫瘤新抗原。其中有一些有可能在給定的個體中引發(fā)免疫應(yīng)答，因而可被用于個性化腫瘤疫苗或其他藥物的研發(fā)。
研究人員正開始利用一種新的鑒定表達特定蛋白的細胞的高通量方法 --- CyTOF技術(shù)來進行新抗原的研究。與流式細胞儀相比，該技術(shù)用金屬標簽取代了有限數(shù)量的熒光標簽，可多達100多種，在將來甚至?xí)唷?/p>
這項技術(shù)可以改變癌癥免疫基因組學(xué)領(lǐng)域，從而幫助研究人員確定癌癥細胞中表達最多的、最能引起免疫系統(tǒng)應(yīng)答的新抗原。然后研究人員可以使用這些信息來創(chuàng)建個性化的抗癌“疫苗”。
另一方面，在研究那些通過基因組預(yù)測的任何給定的新抗原種類以及它是否會引起顯著的免疫應(yīng)答的過程中，CyTOF可通過量化多個預(yù)測肽與人類T?細胞的結(jié)合強度，來幫助我們深入了解這個問題。
這不僅僅是癌癥基因組學(xué)。只要能找到與你感興趣的蛋白結(jié)合的抗體，你就可以用CyTOF追蹤由細胞產(chǎn)生的該蛋白質(zhì)的豐度和組成。這使我們能夠以前所未有的精準度和多維度來追蹤蛋白。
4. 連接基因型和表型 ---?Ruedi Aebersold，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院分子系統(tǒng)生物學(xué)研究所，系統(tǒng)生物學(xué)家
將海量高質(zhì)量基因組信息與臨床收集的人口檢測數(shù)據(jù)巧妙結(jié)合是了解疾病發(fā)生、發(fā)展的機制并將遺傳變異轉(zhuǎn)化為治療的有效方法。
關(guān)鍵之一是分析蛋白質(zhì)復(fù)合物。從大數(shù)據(jù)中找出哪些蛋白質(zhì)復(fù)合物受到干擾以及這些干擾如何發(fā)生？
其中一種方法是把計算和定量蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)合在一起，然后對腫瘤和對照樣本中的數(shù)千種蛋白質(zhì)進行準確地定量?，F(xiàn)在我們可以使用SWATH-MS（sequential window acquisition of all theoretical massspectra）等技術(shù)來產(chǎn)生這樣的數(shù)據(jù)組。并通過使用低溫電子顯微鏡單粒子分析（cryo-electronmicroscopy single-particle analysis）或低溫電子斷層掃描（cryo-electrontomography, CET）在結(jié)構(gòu)水平上研究這種發(fā)生變化的蛋白復(fù)合物，以顯示突變?nèi)绾胃淖兊鞍踪|(zhì)的組成、拓撲、結(jié)構(gòu)和功能。
CET還能夠揭示蛋白結(jié)構(gòu)如何隨其它條件改變而發(fā)生變化，例如蛋白磷酸化對其結(jié)構(gòu)的改變?？傊?，這些技術(shù)將幫助我們了解在疾病情況下，蛋白質(zhì)復(fù)合物如何在分子水平上受到干擾。這將有助于設(shè)計靶向性藥物來清除、滅活或激活該蛋白。
5. 擴展基因組序列分析 --- Rebecca CalisiRodríguez，加州大學(xué)戴維斯分校，生殖生物學(xué)家
為了明確慢性壓力破壞生殖的完整機制，我們最近使用RNA 測序來深入研究在鴿子的生殖軸——大腦中的下丘腦、腦下垂體和生殖腺——中轉(zhuǎn)錄活躍的每一個基因的活性，從而了解鴿子的生殖系統(tǒng)如何對壓力做出反應(yīng)。這些將有助于開發(fā)新的基因療法或藥物來治療成千上萬的不孕不育男女。
除此之外，我們也可以對現(xiàn)實世界里的所有動物進行測序，用以作為評估暴露于環(huán)境中有害物質(zhì)對生殖軸的影響的有力模型。同時還可以把新技術(shù)與傳統(tǒng)的科學(xué)工具結(jié)合起來，以前所未有的方式擴大發(fā)現(xiàn)。
6. 建立科學(xué)的物聯(lián)網(wǎng) --- Vivienne Ming，加州大學(xué)伯克利分校Socos Labs 實驗室，理論神經(jīng)科學(xué)家兼執(zhí)行主席
物聯(lián)網(wǎng)正在改變我們的生活，同時也可能在科學(xué)上產(chǎn)生變革。研究人員正在展開分布式科學(xué)物聯(lián)網(wǎng)（Internetof Scientific Things, IoST）合作——這是一個將分布式傳感器和執(zhí)行器連接到一個強大的機器學(xué)習(xí)平臺的開放式系統(tǒng)，它可推動全球范圍的實驗。例如Google的智能手機可以從手機加速度儀和陀螺儀檢測到的步態(tài)變化中發(fā)現(xiàn)帕金森病的早期癥狀。同樣利用擴展的智能手機傳感器，Ming教授的團隊能夠預(yù)測雙相情感障礙患者的躁狂發(fā)作。
物聯(lián)網(wǎng)的智能交易將增加科學(xué)家尋找與其領(lǐng)域相關(guān)數(shù)據(jù)的能力。“如果我的神經(jīng)影像軟件直接插入IoST 平臺，并實時訪問數(shù)據(jù)。那么不僅是我的實驗室，而是我的領(lǐng)域內(nèi)外的每個人，都能夠登錄平臺來訪問這些數(shù)據(jù)。”Ming教授指出：“如果科學(xué)家自己建立這些系統(tǒng)，就可以使出版更加平等、數(shù)據(jù)收集更可共享，以及科學(xué)更透明!”（生物谷 bioon.com）
來源：生物谷
