關(guān)鍵詞： 《細(xì)胞》 子刊 技術(shù)

還記得CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù),，cryo-EM，甚至高通量測序技術(shù)未出現(xiàn)之前,，我們是怎樣進(jìn)行研究的嗎,？其實大家不用回憶太久，因為這不是很久以前的事。在過去幾年間,，生物學(xué)研究技術(shù)進(jìn)步步伐快的讓人難以置信,。

Cell出版社旗下Molecular Cell雜志推出了技術(shù)特刊，介紹了新技術(shù)的發(fā)展,，以及這些技術(shù)對研究和臨床醫(yī)療的影響。一整期的內(nèi)容都在描述功能強(qiáng)大的新興工具技術(shù),，回望我們已經(jīng)走過的路,，以及未來即將要踏上的征程。其中有十一篇綜述性文章介紹了近年來的重頭技術(shù),。

高通量測序技術(shù)

人類基因組測序技術(shù)正在徹底改變我們對于生物學(xué),，人類多樣性以及疾病的理解。從第一份測序草圖,，到個人基因組與基因組醫(yī)學(xué)時代的到來,，幾乎都來自過去十年間DNA測序技術(shù)的飛躍發(fā)展?！癏igh-Throughput Sequencing Technologies”探討了常用高通量測序平臺的發(fā)展,，相關(guān)的檢測方法，以及目前測序平臺及其臨床應(yīng)用所面臨的問題,。

其中尤為值得注意的是近期Oxford Nanopore公司的掌上測序儀MinION早期試用項目的結(jié)果,，一些大學(xué)的研究團(tuán)隊發(fā)表了使用MinION獲得的研究成果，比如英國東安格利亞大學(xué)的研究人員用MinION鑒定了一種多重耐藥菌的抗性基因,。這項研究表明,，這一技術(shù)能夠很好的用于傳染病診斷。研究人員指出,，低成本速度快的納米孔測序與短讀取測序結(jié)合,，能夠為人們提供組裝完全的細(xì)菌基因組，相信公共衛(wèi)生機(jī)構(gòu)和臨床實驗室很快就能從中獲益,。此外,，納米孔測序系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一步改良之后，將不再需要短讀取數(shù)據(jù),。

單細(xì)胞測序技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用

單細(xì)胞測序（SCS）是研究稀少細(xì)胞,，解析復(fù)雜組分的重要工具。在過去五年間,，DNA和RNA方面的SCS技術(shù)對包括微生物學(xué),、神經(jīng)生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué),、組織嵌體,、免疫學(xué)和癌癥研究等諸多領(lǐng)域都產(chǎn)生了廣泛的影響,。“Advances and applications of Single-Cell Sequencing Technologies”討論了SCS技術(shù),，和其在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,。

比如來自加州大學(xué)的研究人員利用最新技術(shù)分析單個細(xì)胞中的基因活性，確定了發(fā)育大腦中細(xì)胞的獨特特性,。他們使用的技術(shù)主要集中在一個“微流體”設(shè)備,，在這個設(shè)備中單個細(xì)胞被捕獲并流入納米級的小室中，那里它們有效而精確地進(jìn)行DNA測序所必需的化學(xué)反應(yīng),。研究表明,，確定和拼出獨特序列，并成功地確定細(xì)胞類型所需要的閱讀步驟數(shù)量,，比原先估計的少100倍,。這項技術(shù),，是由Fluidigm公司開發(fā),，可同時用于96個細(xì)胞的單獨過程。

單細(xì)胞RNA測序技術(shù)

單細(xì)胞生物和多細(xì)胞生物中單個細(xì)胞之間的差別都會產(chǎn)生重要的功能影響,。近期研發(fā)的單細(xì)胞mRNA測序方法能幫助科學(xué)家們無偏向性，高通量,，和高分辨率的解析這些單細(xì)胞,。

這種方法相較于針對批量種群細(xì)胞的傳統(tǒng)方法，為轉(zhuǎn)錄組學(xué)提出了更多的維度,。目前單細(xì)胞RNA測序技術(shù)已經(jīng)揭示了生物組織,、轉(zhuǎn)錄動力學(xué)、基因之間調(diào)控關(guān)系的重要新機(jī)制,。細(xì)胞捕獲,、細(xì)胞分型、分子生物學(xué)和生物信息學(xué)快速的技術(shù)發(fā)展為未來生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用鋪平了道路,。

近期EMBL研發(fā)了一種可以在細(xì)胞分辨率上同時檢測成千上萬個基因的新技術(shù),，研究人員使用單細(xì)胞RNA-seq，擴(kuò)大海洋蠕蟲（Platynereis dumerilii）的大腦基因表達(dá)圖譜,。這種方法方法可讓研究人員匹配定量數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù),，將標(biāo)記提高了幾個數(shù)量級，這些標(biāo)記可顯示一個組織中的特定細(xì)胞類型,。因此,，一個更廣泛的模式可能開始出現(xiàn)。

同時Affymetrix eBioscience也推出了第一個可同時檢測單細(xì)胞水平的RNA和蛋白質(zhì)表達(dá)的技術(shù)平臺：PrimeFlow RNA Assay,。這一技術(shù)的主要優(yōu)勢在于當(dāng)相應(yīng)蛋白質(zhì)的流式抗體表現(xiàn)不佳或無法獲得時,，能高度靈敏地檢測mRNA，此外，隨著人們逐漸認(rèn)識到非編碼RNA的關(guān)鍵功能作用,，直接測定異質(zhì)細(xì)胞群中非編碼RNA也將是一個趨勢,。

Fluidigm公司也在美國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會的會議上宣布推出一個新流程，能實現(xiàn)高通量的單細(xì)胞mRNA測序,。這個流程綜合了集成流體通路（IFC）設(shè)計的顯著進(jìn)步,，可大規(guī)模提高通量和易用性，同時降低單細(xì)胞制備的成本,。

設(shè)計特殊細(xì)胞類型全基因組實驗

多細(xì)胞生物需要各種特殊的細(xì)胞類型進(jìn)行分化來維持生存,。這些細(xì)胞有其特殊的發(fā)育過程，和對環(huán)境挑戰(zhàn)不同的應(yīng)對方式,，而這些都是通過相同的遺傳圖紙來指導(dǎo)完成的,。因此現(xiàn)代生物學(xué)的一個關(guān)鍵問題就是了解這些基因如何在正確的位置上，在正常的時間里,，表達(dá)正常的水平量,，而且在許多疾病中，這種精細(xì)的基因表達(dá)調(diào)控 會被擾亂,。因此了解這些意義重大,。

“Designing Cell-Type-Specific Genome-wide Experiments”綜述指出，近期一些新興技術(shù)能利用細(xì)胞類型特異性方法,，捕捉全基因組范圍內(nèi)基因表達(dá),，這些新技術(shù)幫助研究人員以前所未有的清晰度來了解體內(nèi)的基因調(diào)控，讓我們對多細(xì)胞生物如何適應(yīng)環(huán)境有了更深的理解,。這篇文章探討了如何從最開始的材料,，篩選合適的對照，驗證數(shù)據(jù),，設(shè)計自己的特殊細(xì)胞類型實驗,。

熒光蛋白探針

光學(xué)成像和基因工程研究方面的進(jìn)展推動了生物可視化新技術(shù)的發(fā)展。目前一些像是基于熒光蛋白FPs的遺傳編碼指示因子可以用于對離子,、分子和酶的活動進(jìn)行成像,，正如錢永健Roger Tsien所說的，“在細(xì)胞中上演碟中諜”,，這些指示因子能進(jìn)入特殊的組織,、細(xì)胞類型或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，報告它們特殊的細(xì)胞內(nèi)活動,。

“Molecular Spies for Bioimaging—Fluorescent Protein-Based Probes”這篇綜述概括了目前的單分子報告因子,，這些因子能將蛋白的構(gòu)象變化轉(zhuǎn)換成熒光信號，許多報告因子都可以用于熒光共振能量轉(zhuǎn)移和單FP方法,。

去年同一時期,，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的一組研究人員開發(fā)了一種可以很容易地進(jìn)入活細(xì)胞的新熒光分子,，這種分子無毒且具有持久的信號，最重要的是,，可提供前所未有的圖像分辨率,。

這種探針，稱為SiR-微管蛋白和SiR-肌動蛋白,，被用來可視化人類皮膚細(xì)胞中的細(xì)胞骨架動態(tài),。因為探針的光信號是以遠(yuǎn)紅光發(fā)射，所以很容易將它從背景噪聲中分離出來,，當(dāng)使用一種稱為超分辨率顯微鏡的技術(shù)時,，會產(chǎn)生前所未有的高分辨率圖像。

單細(xì)胞水平上的活細(xì)胞結(jié)構(gòu)和動態(tài)成像

觀察活細(xì)胞分子進(jìn)程是定量了解生物學(xué)系統(tǒng)功能的一種重要方法,，尤其是在單分子水平上解碼細(xì)胞復(fù)雜行為有助于我們理解動力學(xué),，轉(zhuǎn)運，和自組裝過程,。

在過去十年間,，熒光顯微技術(shù)，熒光相關(guān)光譜和熒光標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展令我們能以高分辨率觀察不同分子作用機(jī)制的復(fù)雜性和隨機(jī)性,?！癐maging Live-Cell Dynamics and Structure at the Single-Molecule Level”這篇綜述探討了單分子水平活細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能成像新概念和技巧,。

定位泛素信號

泛素（UB）信號系統(tǒng)在生物體內(nèi)十分常見,，也常常與其他類型的翻譯后修飾（PTMs），如磷酸化共同作用,。但是至今我們對于這種信號途徑的動力學(xué)機(jī)制和限速中間體了解的很少,。

“Quantifying Ubiquitin Signaling”這一文章回顧了過往如何利用定量蛋白質(zhì)組學(xué)工具，以及富集策略分析泛素信號系統(tǒng),，如何將這一信號途徑與調(diào)控磷酸化事件,，PINK1/PARKIN途徑聯(lián)系在一起。同時泛素化作用的一個關(guān)鍵特點是找到泛素途徑鏈對下游進(jìn)程的調(diào)控方式,。這篇文章也描述了如何利用蛋白質(zhì)組學(xué)和酶學(xué)工具識別和定量分析泛素鏈合成過程,，以及關(guān)聯(lián)傾向。文章指出,，制定定量蛋白質(zhì)組學(xué)將能為解析泛素信號途徑生化機(jī)制提出一個新的標(biāo)準(zhǔn),。

今年一項新研究發(fā)現(xiàn)了泛素的新作用：泛素化有著與蛋白降解無關(guān)的另一種功能，可以幫助細(xì)胞抵御壓力,。研究顯示,，一種特殊的泛素化（K63）能夠修飾并穩(wěn)定核糖體，而核糖體是蛋白合成的發(fā)動機(jī),。研究人員發(fā)現(xiàn),，阻止酵母建立K63泛素鏈,，會使蛋白產(chǎn)量大幅削減，結(jié)果細(xì)胞對壓力條件高度敏感,。研究人員是在酵母中研究K63泛素鏈的,，不過這種泛素化也出現(xiàn)在小鼠的神經(jīng)元。這說明泛素化的新機(jī)制也存在于哺乳動物中,，很可能與人類健康有關(guān),。

Cryo-EM：獨特的大分子復(fù)合物研究工具

3D低溫電子顯微鏡（cryo-EM）雖然是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的重要工具,，但其潛力還未充分發(fā)揮出來,，近期這一技術(shù)分辨率獲得了一個飛躍性發(fā)展，在生物學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用也越來越多,。由于這一技術(shù)并不要求一定要結(jié)晶,，樣品量需要的也少，而且可以在計算機(jī)中成像分類,，因此cryo-EM可以用于處理許多復(fù)雜構(gòu)象成分的混合物,。

“Cryo-EM： A Unique Tool for the Visualization of Macromolecular Complexity”綜述介紹了這一技術(shù)單顆粒分析的主要原則，并探討了近期這一技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題,。而且文章還特別強(qiáng)調(diào)了一些目前正在進(jìn)行的新技術(shù),，其中許多將能實現(xiàn)之前無法完成的分辨率“夢之隊”。

美國國立癌癥研究所NCI近期達(dá)到了cryo-EM成像迄今為止的最高分辨率（2.2 ,？）,，此前只有X射線晶體衍射達(dá)到過這種水平的分辨率。這能為人們提供足夠的結(jié)構(gòu)信息,，進(jìn)行更好的藥物研發(fā),。

定義代謝的大小，流量和調(diào)控

過去二十年里代謝研究促進(jìn)了代謝技術(shù)的爆炸性發(fā)展,，首當(dāng)其沖的就是具有“非定標(biāo)性（untargeted metabolomics,，生物通譯）”和“探索性”的代謝組學(xué)方法（metabolomics），這種技術(shù)的實驗?zāi)繕?biāo)是全面衡量整個代謝,，其中涉及大量未定義的分子組,。由于代謝組學(xué)的全覆蓋性，因此對于尋找某個代謝研究問題答案的科學(xué)家來說,，這成為了第一選擇,。但是找到非定標(biāo)性代謝組學(xué)也不一定就是最佳實驗選擇，傳統(tǒng)方法中非定標(biāo)性代謝組學(xué)只能提供代謝池尺寸相對差異的信息,。因此這還是取決于各自研究的項目,，穩(wěn)定同位素（stable-isotope）檢測方法也是不錯的選擇。

“Defining the Metabolome： Size,， Flux,， and Regulation”詳細(xì)介紹了這方面的內(nèi)容,。

癌細(xì)胞圖譜項目：尋找癌癥的特征網(wǎng)絡(luò)

DNA測序技術(shù)進(jìn)步幫助科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了癌癥基因組中成千上萬的體細(xì)胞突變，展現(xiàn)了癌細(xì)胞令人驚訝的復(fù)雜性,，但是目前還尚不清楚哪些是促進(jìn)癌癥發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動突變,，哪些是被動突變，以及這些突變對于發(fā)病機(jī)制的影響,，對治療的應(yīng)答反應(yīng),。

雖然相似類型的腫瘤和臨床療效也許會告訴我們突變作用模式截然不同，但是顯然這些突變確實具有一些相同的分子途徑和網(wǎng)絡(luò)作用特征,。因此要想成功解釋癌癥基因組,，就需要全面了解致癌發(fā)生過程中選擇性壓力的分子網(wǎng)絡(luò)。

“The Cancer Cell Map Initiative： Defining the Hallmark Networks of Cancer”這篇文章宣布了這一研究方向的又一重要舉措：癌細(xì)胞圖譜項目（CCMI）,，這一項目主要旨在系統(tǒng)地詳細(xì)說明癌基因之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián),，以及它們在疾病和健康狀態(tài)下的差異。文章也探討了近期這方面的成果,，以及其對精密醫(yī)學(xué)的影響,。(生物谷Bioon.com)

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