近日，《自然》雜志對“可能在未來一年對科學(xué)產(chǎn)生影響”的7項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了綜述。這些技術(shù)包括完整版基因組、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析、量子模擬、精確基因組調(diào)控、靶向基因療法、空間多組學(xué)、基于CRISPR的診斷等。
完整版基因組
2019年，當(dāng)端粒到端粒（T2T）合作組成立時，大約有1/10的人類基因組仍然未知。但現(xiàn)在，這個數(shù)字已經(jīng)降到了零。在2021年5月發(fā)表的一篇預(yù)印本論文中，該合作組報(bào)告了第一個人類基因組的端到端序列，為廣泛使用的人類參考基因組序列GRCh38增加了近2億個堿基對，并為人類基因組計(jì)劃完成了最后一章。
GRCh38于2013年首次發(fā)布，是一個很有價值的研究工具，也是繪制測序序列的支架。但它們不夠長，不足以清晰地繪制高度重復(fù)的基因組序列。
長讀長測序技術(shù)被證明是之前規(guī)則的“改變者”。這一技術(shù)由美國太平洋生物科學(xué)公司和英國牛津納米孔技術(shù)公司開發(fā)，可以在一次讀取中對數(shù)萬甚至數(shù)十萬個堿基進(jìn)行排序。2020年，當(dāng)T2T合作組首次重組單獨(dú)的X染色體和8號染色體時，太平洋生物科學(xué)公司的測序工作進(jìn)展已經(jīng)可以讓T2T合作組科學(xué)家檢測到長片段重復(fù)序列的微小變化。這些微妙的“指紋”使長而重復(fù)的染色體片段變得容易處理，基因組的其余部分很快歸位。牛津納米孔技術(shù)公司平臺還捕獲了許多調(diào)節(jié)基因表達(dá)的DNA修飾，T2T合作組能在全基因組范圍內(nèi)繪制這些“表觀遺傳標(biāo)記”。
美國洛克菲勒大學(xué)遺傳學(xué)家、脊椎動物基因組項(xiàng)目主席Erich Jarvis說：“我認(rèn)為，在未來10年內(nèi)，端粒到端粒的基因組組裝將是一種常態(tài)?！?/p>
蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析
過去兩年，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方面的進(jìn)展提供了“互補(bǔ)”的工具，讓研究人員以前所未有的速度和分辨率確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
位于英國的DeepMind公司開發(fā)的AlphaFold2結(jié)構(gòu)預(yù)測算法依靠“深度學(xué)習(xí)”策略，從折疊蛋白質(zhì)的氨基酸序列推斷其形狀。自從2021年7月公開發(fā)布以來，AlphaFold2已應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究，以確定在人類和20個模式生物中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及鑒定Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫中近44萬種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。同時，冷凍電鏡（cryo-EM）的改進(jìn)也使研究人員能用實(shí)驗(yàn)方法處理最具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)及其復(fù)合物。cryo-EM用電子束掃描快速冷凍的分子，生成多個方向的蛋白質(zhì)圖像，然后通過計(jì)算將其重新組裝成3D結(jié)構(gòu)。cryo-EM硬件和軟件的改進(jìn)，使得兩個團(tuán)隊(duì)在2020年獲得了1.5埃以下的結(jié)構(gòu)分辨率，確定了單個原子的位置。
還有一種名為冷凍電子斷層掃描的相關(guān)的技術(shù)也相當(dāng)令人興奮，這種方法可以在冰凍細(xì)胞的薄片上捕捉到自然發(fā)生的蛋白質(zhì)行為。
量子模擬
量子計(jì)算機(jī)以量子比特的形式處理數(shù)據(jù)。通過名為糾纏的量子力學(xué)現(xiàn)象耦合在一起，量子比特可以在一定距離內(nèi)相互影響，并顯著提高計(jì)算能力。
多個研究團(tuán)隊(duì)已成功地將單個離子用作量子比特，但它們的電荷使其難以進(jìn)行高密度組裝。法國國家科學(xué)研究中心的Antoine Browaeys和美國哈佛大學(xué)的Mikhail Lukin等物理學(xué)家正在探索另一種方法。研究小組使用光學(xué)鑷子在緊密排列的2D和3D陣列中精確固定不帶電的原子，然后用激光將這些粒子激發(fā)成大直徑的里德堡原子，使其與附近原子糾纏。
短短幾年時間里，技術(shù)進(jìn)步提高了里德堡原子陣列的穩(wěn)定性和性能，量子比特?cái)?shù)量也從幾十個迅速擴(kuò)展到幾百個。
Browaeys估計(jì)，這種量子模擬器在一兩年內(nèi)就可能商用。這項(xiàng)工作也為量子計(jì)算機(jī)的更廣泛應(yīng)用鋪平了道路。
精確基因組調(diào)控
盡管CRISPR-Cas9技術(shù)擁有強(qiáng)大的基因組編輯能力，但它更適合于讓基因失活而非修復(fù)。這是因?yàn)楸M管將Cas9酶靶向基因組序列相對精確，但細(xì)胞對隨后雙鏈切割的修復(fù)卻并不精準(zhǔn)。
美國哈佛大學(xué)化學(xué)生物學(xué)家劉如謙表示，大多數(shù)基因疾病需要的是基因修正而非基因破壞。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，劉如謙團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了兩種很有前景的方法。
兩種方法都利用了CRISPR的精準(zhǔn)靶向能力，同時限制了Cas9在該位點(diǎn)切割DNA的能力。第一種方法被稱為堿基編輯，它將催化受損的Cas9與一種酶結(jié)合，這種酶有助于一種核苷酸向另一種核苷酸的化學(xué)轉(zhuǎn)化。不過，目前只有特定的堿基—堿基轉(zhuǎn)換可以利用這種方法實(shí)現(xiàn)。第二種方法被稱為引導(dǎo)編輯，它將Cas9與逆轉(zhuǎn)錄酶相聯(lián)系，并使用一種經(jīng)過修改的向?qū)NA，以將所需的編輯內(nèi)容整合到基因組序列中。通過多階段生化過程，這些成分將向?qū)NA復(fù)制到最終取代目標(biāo)基因組序列的DNA中。
重要的是，這兩種方法都只切割一條DNA鏈，對細(xì)胞而言，這是一個安全性更高、破壞性更小的過程。
靶向基因療法
基于核酸的藥物可以在臨床上產(chǎn)生影響，但其可應(yīng)用的組織仍有諸多限制。大多數(shù)治療需要局部給藥或自患者體內(nèi)提取細(xì)胞進(jìn)行體外處理，然后再移植回患者體內(nèi)。
腺相關(guān)病毒是許多基因療法的首選載體。動物研究表明，仔細(xì)挑選合適的病毒，結(jié)合組織特異性基因啟動子，可以實(shí)現(xiàn)局限于特定器官的高效藥物遞送。然而，病毒有時很難大規(guī)模生產(chǎn)，還會引起免疫反應(yīng)，破壞療效或產(chǎn)生不良反應(yīng)。
脂質(zhì)納米粒是一種非病毒載體，過去幾年發(fā)表的多項(xiàng)研究顯示了對其特異性進(jìn)行調(diào)控的潛力。例如，美國得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)家Daniel Siegwart和同事開發(fā)的選擇性器官靶向技術(shù)有助于快速生成和篩選脂質(zhì)納米粒，以找出能有效靶向組織（如肺或脾臟）細(xì)胞的納米粒。
空間多組學(xué)
單細(xì)胞組學(xué)的發(fā)展意味著研究人員能很容易地從單個細(xì)胞中獲得遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀遺傳學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方面的見解。但單細(xì)胞技術(shù)將細(xì)胞從其原始環(huán)境中剝離出來，這一過程可能遺漏關(guān)鍵信息。
2016年，瑞典皇家理工學(xué)院的Joakim Lundeberg團(tuán)隊(duì)提出了一種處理這一問題的策略。該團(tuán)隊(duì)用條形碼寡核苷酸（RNA或DNA的短鏈）制備了載玻片，這些條形碼寡核苷酸可以從完整的組織切片中捕獲信使RNA，這樣每個轉(zhuǎn)錄本都可以根據(jù)其條形碼對應(yīng)到樣本中的特定位置。
此后，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域迎來了爆發(fā)性的發(fā)展。目前，已有多種商業(yè)系統(tǒng)可用，學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)也繼續(xù)研發(fā)新方法，以更好的深度和空間分辨率繪制基因表達(dá)圖譜。比如，現(xiàn)在有研究團(tuán)隊(duì)正在他們的空間圖譜上疊加組學(xué)數(shù)據(jù)。Lundeberg團(tuán)隊(duì)也改進(jìn)了他們的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法，以同時捕獲DNA序列數(shù)據(jù)，這使得他的團(tuán)隊(duì)可以開始繪制腫瘤發(fā)生背后的時空事件。
基于CRISPR的診斷
CRISPR-Cas系統(tǒng)精確切割特定核酸序列的能力，源于其作為細(xì)菌“免疫系統(tǒng)”抵御病毒感染的作用。這一聯(lián)系啟發(fā)了該技術(shù)的早期采用者思考其對病毒診斷的適用性。
Cas9是基于CRISPR的基因組操作的首選酶，但基于CRISPR診斷的大部分工作都使用了一個名為Cas13的靶向RNA分子家族。這是由于Cas13不僅能切割向?qū)NA所靶向的RNA，還能對附近的其他RNA分子進(jìn)行“旁系切割”。許多基于Cas13的診斷都使用報(bào)告RNA，將熒光標(biāo)記“拴”在抑制熒光的淬滅分子上。當(dāng)Cas13識別病毒RNA并被激活時，它會切斷報(bào)告基因并從猝滅分子中釋放熒光標(biāo)記，產(chǎn)生可被檢測的信號。有些病毒會釋放很強(qiáng)的信號，可以在不擴(kuò)增的情況下檢測到，大大簡化了即時診斷。
例如，研究人員就展示了一種快速、基于鼻拭子的CRISPR-CAS試驗(yàn)，使用手機(jī)攝像頭對新冠病毒進(jìn)行無擴(kuò)增檢測。
其他Cas酶有望繼續(xù)擴(kuò)充這個診斷工具箱，包括Cas12蛋白，他們表現(xiàn)出與Cas13相似的特性，但其目標(biāo)是DNA而非RNA。這些酶可以檢測范圍更廣的病原體，甚至可以有效診斷其他非傳染性疾病。
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