Nature：2022年7大“颠覆性”技术
添加时间：2022-02-25 点击次数：200
近日，《自然》对“可能在未来一年对科学产生影响”的7项技术进行了综述。这7项技术分别是完整版基因组、蛋白质结构解析、量子模拟、精准基因组调控、靶向基因疗法、空间多组学、基于CRISPR的诊断。
在2021年5月发表的一篇预印本论文中，端粒到端粒（T2T）合作组报告了第一个人类基因组的端粒到端粒序列，为广泛使用的人类参考基因组序列GRCh38增加了近2亿个碱基对，并完成了人类基因组计划的最后一章。GRCh38于2013年首次发布，是一个很有价值的研究工具，也是绘制测序序列的支架。但它们不够长，不足以清晰地绘制高度重复的基因组序列。长读长测序技术被证明是既有规则的“改变者”。这一技术由美国太平洋生物科学公司和英国牛津纳米孔技术公司开发，可在一次读取中对数万甚至数十万个碱基进行排序。2020年，当T2T合作组首次重组单独的X染色体和8号染色体时，太平洋生物科学公司的测序工作进展已经可以让T2T合作组科学家检测到长片段重复序列的微小变化。这些微妙的“指纹”使长而重复的染色体片段变得容易处理，基因组的其余部分很快归位。牛津纳米孔技术公司平台还捕获了许多调节基因表达的DNA修饰，T2T合作组能在全基因组范围内绘制这些“表观遗传标记”。
过去两年，实验和计算方面的进展让研究人员以前所未有的速度和分辨率确定蛋白质结构。英国DeepMind公司开发的AlphaFold2结构预测算法依靠深度学习策略，从折叠蛋白质的氨基酸序列推断其形状。自2021年7月公开发布以来，AlphaFold2已应用于蛋白质组学研究，以确定在人类和20个模式生物中表达的所有蛋白质结构，以及鉴定Swiss-Prot数据库中近44万种蛋白质的结构。同时，冷冻电镜的改进也使研究人员能用实验方法处理最具挑战性的蛋白质及其复合物。2020年，两个团队获得了1.5埃以下的结构分辨率，确定了单个原子的位置。一种名为冷冻电子断层扫描的相关技术也相当令人兴奋，这种方法可以在冰冻细胞的薄片上捕捉到自然发生的蛋白质行为。
量子计算机以量子比特的形式处理数据。多个研究团队已成功将单个离子用作量子比特，但它们的电荷使其难以进行高密度组装。法国国家科学研究中心的Antoine Browaeys和美国哈佛大学的Mikhail Lukin等物理学家正在探索另一种方法。研究小组使用光学镊子在紧密排列的2D和3D阵列中精确固定不带电的原子，然后用激光将这些粒子激发成大直径的里德堡原子，使其与附近原子纠缠。短短几年时间里，技术进步提高了里德堡原子阵列的稳定性和性能，量子比特数量也从几十个迅速扩展到几百个。Browaeys估计，这种量子模拟器在一两年内就可能商用。这项工作也为量子计算机更广泛的应用铺平了道路。
尽管CRISPR-Cas9技术拥有强大的基因组编辑能力，但它更适合于让基因失活而非修复。美国哈佛大学化学生物学家刘如谦指出，大多数基因疾病需要的是基因修正而非基因破坏。为实现这一目标，刘如谦团队已经开发了两种很有前景的方法。第一种方法被称为碱基编辑，它将催化受损的Cas9与一种酶结合，这种酶有助于一种核苷酸向另一种核苷酸的化学转化。不过，目前只有特定的碱基—碱基转换可以利用这种方法实现。第二种方法被称为引导编辑，它将Cas9与逆转录酶相联系，并使用一种经过修改的向导RNA，以将所需的编辑内容整合到基因组序列中。通过多阶段生化过程，这些成分将向导RNA复制到最终取代目标基因组序列的DNA中。重要的是，这两种方法都只切割一条DNA链。对细胞而言，这是一个安全性更高、破坏性更小的过程。
基于核酸的药物可以在临床上产生影响，但其可应用的组织仍有诸多限制。大多数治疗需要局部给药或自患者体内提取细胞进行体外处理，再移植回患者体内。腺相关病毒是许多基因疗法的首选载体。动物研究表明，仔细挑选合适的病毒，结合组织特异性基因启动子，可以实现局限于特定器官的高效药物递送。然而，病毒有时很难大规模生产，还会引起免疫反应，破坏疗效或产生不良反应。脂质纳米粒是一种非病毒载体，过去几年发表的多项研究显示了对其特异性进行调控的潜力。例如，美国得克萨斯大学西南医学中心生物化学家Daniel Siegwart和同事开发的选择性器官靶向技术有助于快速生成和筛选脂质纳米粒，找出能有效靶向组织（如肺或脾脏）细胞的纳米粒。
单细胞组学的发展使研究人员很容易从单个细胞中获得遗传学、转录组学、表观遗传学和蛋白质组学方面的见解。但单细胞技术将细胞从其原始环境中剥离出来，这一过程可能遗漏关键信息。2016年，瑞典皇家理工学院的Joakim Lundeberg团队提出了一种解决策略。该团队用条形码寡核苷酸（RNA或DNA的短链）制备了载玻片，这些条形码寡核苷酸可以从完整的组织切片中捕获信使RNA，这样每个转录样本都可以根据其条形码对应到样本中的特定位置。此后，空间转录组学领域迎来了爆发性发展，目前已有多种商业系统可用。研究团队也在继续研发新方法，以更好的深度和空间分辨率绘制基因表达图谱。
CRISPR-Cas系统精确切割特定核酸序列的能力，源于其作为细菌“免疫系统”抵御病毒感染的作用。这一联系启发了该技术的早期使用者思考其对病毒诊断的适用性。Cas9是基于CRISPR的基因组操作的首选酶，但基于CRISPR诊断的大部分工作都使用了一个名为Cas13的靶向RNA分子家族。这是由于Cas13不仅能切割向导RNA所靶向的RNA，还能对附近的其他RNA分子进行“旁系切割”。许多基于Cas13的诊断都使用报告RNA，将荧光标记“拴”在抑制荧光的淬灭分子上。当Cas13识别病毒RNA并被激活时，它会切断报告基因并从猝灭分子中释放荧光标记，产生可被检测的信号。有些病毒会释放很强的信号，可以在不扩增的情况下检测到，从而大大简化了即时诊断流程。
完整版基因组
在2021年5月发表的一篇预印本论文中，端粒到端粒（T2T）合作组报告了第一个人类基因组的端粒到端粒序列，为广泛使用的人类参考基因组序列GRCh38增加了近2亿个碱基对，并完成了人类基因组计划的最后一章。GRCh38于2013年首次发布，是一个很有价值的研究工具，也是绘制测序序列的支架。但它们不够长，不足以清晰地绘制高度重复的基因组序列。长读长测序技术被证明是既有规则的“改变者”。这一技术由美国太平洋生物科学公司和英国牛津纳米孔技术公司开发，可在一次读取中对数万甚至数十万个碱基进行排序。2020年，当T2T合作组首次重组单独的X染色体和8号染色体时，太平洋生物科学公司的测序工作进展已经可以让T2T合作组科学家检测到长片段重复序列的微小变化。这些微妙的“指纹”使长而重复的染色体片段变得容易处理，基因组的其余部分很快归位。牛津纳米孔技术公司平台还捕获了许多调节基因表达的DNA修饰，T2T合作组能在全基因组范围内绘制这些“表观遗传标记”。
蛋白质结构解析
过去两年，实验和计算方面的进展让研究人员以前所未有的速度和分辨率确定蛋白质结构。英国DeepMind公司开发的AlphaFold2结构预测算法依靠深度学习策略，从折叠蛋白质的氨基酸序列推断其形状。自2021年7月公开发布以来，AlphaFold2已应用于蛋白质组学研究，以确定在人类和20个模式生物中表达的所有蛋白质结构，以及鉴定Swiss-Prot数据库中近44万种蛋白质的结构。同时，冷冻电镜的改进也使研究人员能用实验方法处理最具挑战性的蛋白质及其复合物。2020年，两个团队获得了1.5埃以下的结构分辨率，确定了单个原子的位置。一种名为冷冻电子断层扫描的相关技术也相当令人兴奋，这种方法可以在冰冻细胞的薄片上捕捉到自然发生的蛋白质行为。
量子模拟
量子计算机以量子比特的形式处理数据。多个研究团队已成功将单个离子用作量子比特，但它们的电荷使其难以进行高密度组装。法国国家科学研究中心的Antoine Browaeys和美国哈佛大学的Mikhail Lukin等物理学家正在探索另一种方法。研究小组使用光学镊子在紧密排列的2D和3D阵列中精确固定不带电的原子，然后用激光将这些粒子激发成大直径的里德堡原子，使其与附近原子纠缠。短短几年时间里，技术进步提高了里德堡原子阵列的稳定性和性能，量子比特数量也从几十个迅速扩展到几百个。Browaeys估计，这种量子模拟器在一两年内就可能商用。这项工作也为量子计算机更广泛的应用铺平了道路。
精准基因组调控
尽管CRISPR-Cas9技术拥有强大的基因组编辑能力，但它更适合于让基因失活而非修复。美国哈佛大学化学生物学家刘如谦指出，大多数基因疾病需要的是基因修正而非基因破坏。为实现这一目标，刘如谦团队已经开发了两种很有前景的方法。第一种方法被称为碱基编辑，它将催化受损的Cas9与一种酶结合，这种酶有助于一种核苷酸向另一种核苷酸的化学转化。不过，目前只有特定的碱基—碱基转换可以利用这种方法实现。第二种方法被称为引导编辑，它将Cas9与逆转录酶相联系，并使用一种经过修改的向导RNA，以将所需的编辑内容整合到基因组序列中。通过多阶段生化过程，这些成分将向导RNA复制到最终取代目标基因组序列的DNA中。重要的是，这两种方法都只切割一条DNA链。对细胞而言，这是一个安全性更高、破坏性更小的过程。
靶向基因疗法
基于核酸的药物可以在临床上产生影响，但其可应用的组织仍有诸多限制。大多数治疗需要局部给药或自患者体内提取细胞进行体外处理，再移植回患者体内。腺相关病毒是许多基因疗法的首选载体。动物研究表明，仔细挑选合适的病毒，结合组织特异性基因启动子，可以实现局限于特定器官的高效药物递送。然而，病毒有时很难大规模生产，还会引起免疫反应，破坏疗效或产生不良反应。脂质纳米粒是一种非病毒载体，过去几年发表的多项研究显示了对其特异性进行调控的潜力。例如，美国得克萨斯大学西南医学中心生物化学家Daniel Siegwart和同事开发的选择性器官靶向技术有助于快速生成和筛选脂质纳米粒，找出能有效靶向组织（如肺或脾脏）细胞的纳米粒。
空间多组学
单细胞组学的发展使研究人员很容易从单个细胞中获得遗传学、转录组学、表观遗传学和蛋白质组学方面的见解。但单细胞技术将细胞从其原始环境中剥离出来，这一过程可能遗漏关键信息。2016年，瑞典皇家理工学院的Joakim Lundeberg团队提出了一种解决策略。该团队用条形码寡核苷酸（RNA或DNA的短链）制备了载玻片，这些条形码寡核苷酸可以从完整的组织切片中捕获信使RNA，这样每个转录样本都可以根据其条形码对应到样本中的特定位置。此后，空间转录组学领域迎来了爆发性发展，目前已有多种商业系统可用。研究团队也在继续研发新方法，以更好的深度和空间分辨率绘制基因表达图谱。
基于CRISPR的诊断
CRISPR-Cas系统精确切割特定核酸序列的能力，源于其作为细菌“免疫系统”抵御病毒感染的作用。这一联系启发了该技术的早期使用者思考其对病毒诊断的适用性。Cas9是基于CRISPR的基因组操作的首选酶，但基于CRISPR诊断的大部分工作都使用了一个名为Cas13的靶向RNA分子家族。这是由于Cas13不仅能切割向导RNA所靶向的RNA，还能对附近的其他RNA分子进行“旁系切割”。许多基于Cas13的诊断都使用报告RNA，将荧光标记“拴”在抑制荧光的淬灭分子上。当Cas13识别病毒RNA并被激活时，它会切断报告基因并从猝灭分子中释放荧光标记，产生可被检测的信号。有些病毒会释放很强的信号，可以在不扩增的情况下检测到，从而大大简化了即时诊断流程。