北京時間 2 月 23 日消息，日前《自然》雜志最新列舉 2022 年七項重要科學(xué)技術(shù)，將對科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，其中包括：
1、完整版基因組
2019 年，美國加州圣克魯茲分?；蚪M學(xué)研究員凱倫?米加（Karen Miga）和馬里蘭州貝塞斯達(dá)國家人類基因組研究所研究員亞當(dāng)?菲利普（Adam Phillippy）啟動了“端粒至端粒（T2T）”的聯(lián)合研究項目，當(dāng)時大約全球十分之一的人類基因組仍未完成測序，然而，現(xiàn)在該數(shù)據(jù)已降至零。2021 年 5 月，該聯(lián)合研究項目聲稱發(fā)現(xiàn)第一個端粒至端粒的人類基因組序列，使用人類共識基因組序列圖譜 GRCh38 增加了近 2 億新堿基對，并為人類基因組計劃寫上了最后一章。
最早發(fā)布于 2013 年的 GRCh38 基因組序列圖譜是一個具有價值的研究工具，它是繪制基因序列讀數(shù)的“腳手架”，但它也存在許多漏洞，其主要問題在于基因序列讀數(shù)雖然精確，但過于簡短，無法明確繪制高度重復(fù)的基因組序列，包括：覆蓋染色體末端的端粒，細(xì)胞分裂期間協(xié)調(diào)新復(fù)制 DNA 分裂的著絲粒（centromeres）。
長讀測序技術(shù)被證明是改變游戲規(guī)則的技術(shù)，該技術(shù)是美國太平洋生物科學(xué)公司和英國牛津納米孔技術(shù)公司共同開發(fā)的，它能在一次性基因序列讀取中，對數(shù)萬至數(shù)十億個堿基對進(jìn)行排序，但至少在測序初期，并不是沒有錯誤。時值 2020 年，T2T 項目研究人員重建了他們的第 2、3 條單獨染色體 ——X 和 8，然而，太平洋生物科學(xué)公司的測序工作已取得重大進(jìn)展，T2T 科學(xué)家能檢測到長時間重復(fù)序列的微小變化，這些微妙的“指紋”使長而重復(fù)的染色體片段變得更易處理，基因組剩余部分則很快排列起來，牛津納米孔技術(shù)公司還捕獲了許多調(diào)節(jié)基因表達(dá)的 DNA 修飾，同時，T2T 基因測序能在基因組范圍內(nèi)繪制“表觀遺傳標(biāo)記”。
已測序的 T2T 基因組源自包含兩組相同染色體的細(xì)胞株，正常的二倍體人類基因組的每個染色體有兩個版本，目前研究人員正在研究“階段策略”，能夠自信地將每個序列分配給合適的染色體副本。
T2T 項目首席研究員之一、紐約洛克菲勒大學(xué)遺傳學(xué)家埃里希?賈維斯（Erich Jarvis）說：“我們的目標(biāo)是掌握平均 97% 的人類等位基因多樣性，我認(rèn)為未來 10 年之內(nèi)，我們能將端粒至端?；蚪M測序作為常規(guī)操作，同時，我們希望利用完整的基因組裝配能力提供地球每種脊椎動物的完整基因組序列。”
2、解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
此前研究人員很難衡量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能，在過去兩年時間里，科學(xué)實驗和計算領(lǐng)域取得的進(jìn)步，為研究人員以前所未有的速度和分辨率解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。由 DeepMind 子公司 Alphabet 開發(fā)的 AlphaFold2 結(jié)構(gòu)預(yù)測算法基于“深度學(xué)習(xí)”策略，能推算出氨基酸序列折疊蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。該算法自 2021 年 7 月發(fā)布以來，已被應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)，用于確定人類和 20 個模型生物中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及 Swiss-Prot 數(shù)據(jù)庫中近 44 萬個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，大幅增加了高可信度建模數(shù)據(jù)的蛋白質(zhì)數(shù)量。
與此同時，低溫電子顯微鏡的技術(shù)改進(jìn)使研究人員能以實驗方法解決最具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)和復(fù)合物，低溫電子顯微鏡采用電子束掃描快速凍結(jié)的分子，生成多個方向的蛋白質(zhì)圖像，然后可以通過計算重新組裝成一個蛋白質(zhì) 3D 結(jié)構(gòu)。2020 年，低溫電子顯微鏡硬件和軟件的改進(jìn)使研究團(tuán)隊能夠生成分辨率小于 1.5 埃的水平解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，捕捉到單個原子的位置。紐約結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心西蒙斯電子顯微鏡中心副主任布里奇特?卡拉格（Bridget Carragher）說：“此前我們曾深入討論‘原子分辨率’這個術(shù)語，但它僅是接近原子，目前我們實驗證實獲得原子等級清晰度解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是可行的?！?/p>
還有一種相關(guān)方法，即低溫電子斷層掃描（cryo-ET），它可以捕捉冷凍細(xì)胞薄片中自然蛋白質(zhì)特征，但利用該技術(shù)解析復(fù)雜而擁擠的圖像仍存在困難?？ɡ裾f：“采用機(jī)器學(xué)習(xí)世界的先進(jìn)算法是必不可少的，相信未來我們能解決棘手的科學(xué)難題?！?/p>
3、量子模擬
原子在特定條件下，能被誘導(dǎo)至一個高度激發(fā)狀態(tài)，直徑達(dá)到 1 微米或者更大。目前物理學(xué)家現(xiàn)已證實，通過對數(shù)百個原子陣列進(jìn)行這種可控激發(fā)，可以解決一些具有挑戰(zhàn)性的物理問題，實現(xiàn)傳統(tǒng)計算機(jī)“極限升級”。
量子計算機(jī)以量子位的形式管理數(shù)據(jù)，利用“量子糾纏”物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合，量子位可以在一定距離內(nèi)相互影響，這些量子位可大幅提高計算能力。目前，已有幾個研究團(tuán)隊成功利用單個離子作為離子位，但這些離子的電荷很難在高密度下組裝，物理學(xué)家正在探索另一種方法，其中包括法國國家科學(xué)研究中心的安東尼?布羅維（Antoine browwaeys）和美國哈佛大學(xué)的米哈伊爾?盧金（Mikhail Lukin），他們使用光學(xué)鑷子精確地將不帶電原子定位在緊密排列的 2D 和 3D 陣列中，然后應(yīng)用激光將這些粒子成為大直徑的“里德堡原子（Rydberg atoms）”，使其與它們鄰近粒子糾纏在一起。
韓國高級科學(xué)技術(shù)研究所物理學(xué)家 jaaewook Ahn 稱，里德堡原子系統(tǒng)是獨立可控的，它們的相互作用可以打開和關(guān)閉，反之賦予了可編程性。量子模擬技術(shù)在短短幾年時間里就獲得了重大突破進(jìn)展，技術(shù)進(jìn)步提高了里德堡原子陣列的穩(wěn)定性和性能，以及從幾十個量子位快速擴(kuò)展至幾百個。據(jù)悉，量子模擬領(lǐng)域的先驅(qū)者已成立了公司，正在開發(fā)實驗室使用的里德堡原子陣列系統(tǒng)，布羅維估計這種先進(jìn)量子模擬器可以在一兩年內(nèi)投入商業(yè)應(yīng)用，但這項工作也可能為量子計算機(jī)的更廣泛應(yīng)用鋪平道路，包括：經(jīng)濟(jì)學(xué)、物流和數(shù)字加密領(lǐng)域等。
4、精準(zhǔn)基因操控
盡管 CRISPR–Cas9 技術(shù)擁有強大的基因組編輯能力，但該技術(shù)更容易基因失活，而不是達(dá)到基因修復(fù)，因為盡管針對 Cas9 酶的基因組序列相對精確，但細(xì)胞對該技術(shù)產(chǎn)生的雙鏈切割修復(fù)卻并不精確，CRISPR–Cas9 修復(fù)通過一種稱為“非同源端連接”的過程進(jìn)行，通常會被微小的基因插入或者刪除所混淆。
美國哈佛大學(xué)化學(xué)生物學(xué)家大衛(wèi)?劉指出，大多數(shù)遺傳疾病需要的是基因修正，而不是基因破壞。目前他和研究同事現(xiàn)已開發(fā)兩種頗有希望的基因操控方法，第一種叫做堿基編輯（base editing），將一種催化受損 Cas9 與一種酶結(jié)合，該酶可以幫助一種核苷酸轉(zhuǎn)化為另一種核苷酸，例如：胞嘧啶轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶，腺嘌呤轉(zhuǎn)化為鳥嘌呤，但目前該方法僅對特定堿基對有效；第二種叫做精準(zhǔn)編輯（Prime editing），將 Cas9 與逆轉(zhuǎn)錄酶連接起來，并引導(dǎo) DNA 將所需編輯內(nèi)容精準(zhǔn)插入基因組序列。通過一個多階段的生化過程，這些成分將引導(dǎo) RNA 復(fù)制成 DNA，最終取代目標(biāo)基因組序列。重要的是，堿基編輯和精準(zhǔn)編輯都僅剪切一條 DNA 鏈，這對細(xì)胞而言是一個更安全、破壞性更小的過程。
堿基編輯技術(shù)首次公布于 2016 年，現(xiàn)已投入臨床應(yīng)用，由大衛(wèi)?劉創(chuàng)建的 Beam Therapeutics 公司已獲美國食品藥物管理局批準(zhǔn)，首次應(yīng)用于人類鐮狀細(xì)胞病基因修復(fù)。相比之下，精準(zhǔn)編輯仍是一項新技術(shù)，但改進(jìn)的迭代技術(shù)不斷出現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用前景也非常明確。韓國首爾延世大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組編輯專家 Hyongbum Henry Kim 現(xiàn)已證實，使用精準(zhǔn)編輯技術(shù)來糾正老鼠視網(wǎng)膜基因突變，可達(dá)到 16% 的治愈率。他說：“如果我們使用最近報道的更先進(jìn)技術(shù)，治療效率將獲得大幅提高，在某些情況下，如果能以 10%，甚至以 1% 的基因進(jìn)行替換，就可以治愈該疾病。”
5、靶向基因治療
基于核酸的藥物可能會對臨床治療產(chǎn)生某些影響，但它們在可應(yīng)用的組織方面仍受到限制，大多數(shù)治療方法要么需要局部給藥，要么需要體外操作，從患者體內(nèi)提取細(xì)胞，然后將其移植到患者體內(nèi)。一個顯著的例子是肝臟，可以過濾血液，被證明是選擇性藥物輸送的有效靶點，在這種情況下，靜脈注射，甚至是皮下注射，均可達(dá)到該效果。
美國麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師丹尼爾?安德森（Daniel Anderson）說：“靶向基因治療存在很大的挑戰(zhàn)性，僅是將藥物輸送至人體任何組織進(jìn)了困難的，我們的身體是基因信息集合體，而不是接受新的基因信息?！蹦壳把芯咳藛T在開發(fā)基因治療方面正取得穩(wěn)步進(jìn)展，這些方案可以幫助引導(dǎo)藥物進(jìn)入特定器官系統(tǒng)，而不影響其他非靶向組織。
近年來，腺相關(guān)病毒是許多基因治療工作的首選載體，相關(guān)動物研究表明，理性選擇合適的病毒，結(jié)合組織特異性基因啟動子，可以實現(xiàn)高效、器官靶向治療。然而，相關(guān)病毒有時難以大規(guī)模生產(chǎn)，并潛在引起人體免疫反應(yīng)，破壞療效或者產(chǎn)生身體不良反應(yīng)。
脂質(zhì)納米顆粒提供了一種非病毒的替代方法，之前研究人員發(fā)表的研究報告強調(diào)了脂質(zhì)納米顆粒具有組織特異性送遞的潛力，例如：研究人員能快速生成和篩選識別脂質(zhì)納米顆粒，使其有效在肺等器官實現(xiàn)靶向治療。荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師羅伊?范德米爾（Roy van der Meel）稱，目前首次研究表明，如果對這些脂質(zhì)納米顆粒進(jìn)行系統(tǒng)篩選，并且改變它們的成分，就可以改變它們在生物體中的分布。
6、空間多組學(xué)分析
單細(xì)胞組學(xué)的迅速發(fā)展意味著研究人員可以常規(guī)地從單個細(xì)胞中獲得遺傳、轉(zhuǎn)錄、表觀和蛋白質(zhì)組學(xué)的見解，有時是同時獲取，但是單細(xì)胞技術(shù)在將細(xì)胞從原生環(huán)境中剝離過程中，也失去了關(guān)鍵信息。2016 年，瑞典皇家理工學(xué)院喬基姆?倫德伯格（Joakim Lundeberg）設(shè)計了一種策略克服了該問題，他和同事使用條形碼寡核苷酸（RNA 或者 DNA 短鏈）制作載玻片，該載玻片能從完整的組織切片中捕獲信使 RNA，這樣每個轉(zhuǎn)錄 RNA 可以依據(jù)條形碼被分配至樣本中的特定位置，他說：“無人相信我們能從組織切片中提取全轉(zhuǎn)錄 RNA 分析，但事實證明，該策略非常簡單?！?/p>
此后空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)倍受科學(xué)家青睞，目前已有多個商業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，包括：10x Genomics 公司推出的 Visium 空間基因表達(dá)平臺，該平臺系統(tǒng)基于倫德伯格的最新技術(shù)。隨著學(xué)術(shù)團(tuán)隊不斷開發(fā)創(chuàng)新的方法，將不斷增加深度和空間分辨率來繪制基因表達(dá)。
現(xiàn)在研究人員正在空間地圖領(lǐng)域進(jìn)一步疊加“分層組學(xué)見解”，例如：美國耶魯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師 Rong Fan 開發(fā)了一個名為 DBiT-seq16 的平臺，該平臺采用一個微流體系統(tǒng)，可以同時為數(shù)千個 mRNA 轉(zhuǎn)錄基因和數(shù)百個蛋白質(zhì)標(biāo)注寡核苷酸標(biāo)簽抗體。
7、基于 CRISPR 技術(shù)的診斷
CRISPR–Cas 系統(tǒng)技術(shù)精確切割特定核酸序列的能力源于它作為細(xì)菌“免疫系統(tǒng)”對抗病毒感染的作用，這種關(guān)聯(lián)性激發(fā)了早期采用該技術(shù)的科學(xué)家考慮它對病毒診斷的適用性。美國麻省理工學(xué)院布羅德研究所、哈佛大學(xué)劍橋分校遺傳學(xué)家帕爾迪斯?薩貝提（Pardis Sabeti）說：“利用它們在自然界中設(shè)計的功能非常有意義，畢竟它們已演化了數(shù)十億年。”
但并不是所有 Cas 酶都是一樣的，Cas9 是基于 CRISPR 的基因組操作的首選酶，但基于 CRISPR 的診斷的大部分工作都使用了被稱為 Cas13 的 RNA 靶向分子家族，該分子家族是 2016 年由分子生物學(xué)家張峰（音譯）首次發(fā)現(xiàn)的。美國加州大學(xué)伯克利分校詹妮弗?杜德納（Jennifer Doudna）解釋稱，Cas13 利用其 RNA 向?qū)ㄟ^堿基對識別 RNA 靶標(biāo)，并激活核糖核酸酶活性，該活性通過使用報告 RNA 作為診斷工作進(jìn)行臨床應(yīng)用。據(jù)悉，她與馬克斯?普朗克病原體科學(xué)研究所艾曼紐?卡彭特（Emmanuelle Charpentier）因這項研究發(fā)現(xiàn)共同獲得 2020 年諾貝爾化學(xué)獎。這是因為 Cas13 不僅會切割向?qū)?RNA 靶向的 RNA，還會對附近任何其他 RNA 分子進(jìn)行“旁系切割”。許多基于 Cas13 的診斷使用報告 RNA，使用熒光標(biāo)記抑制熒光的淬滅分子，當(dāng) Cas13 識別病毒 RNA 后被激活時，它會切斷報告 RNA，并從淬滅分子中釋放熒光標(biāo)記，產(chǎn)生可檢測信號。有些病毒留下足夠強的信號，可以在不進(jìn)行擴(kuò)增的情況下進(jìn)行檢測，從而簡化了即時診斷。例如：2021 年 1 月，美國加州舊金山格萊斯頓病毒學(xué)研究所演示了一種基于鼻拭子的 CRISPR-Cas13 快速檢測方法，可以使用手機(jī)攝像頭對新冠病毒進(jìn)行無擴(kuò)增檢測。
同時，RNA 擴(kuò)增可以提高對微量病毒序列的靈敏度，研究人員現(xiàn)已開發(fā)一種微流體系統(tǒng)，僅利用幾微升樣本中擴(kuò)增出的基因物質(zhì)，就能同時篩選多種病原體。現(xiàn)在科學(xué)家已掌握一種同時檢測 21 種病毒的方法，而每個樣本的成本不足 10 美元。此外，研究人員還開發(fā)出基于 CRISPR 技術(shù)的工具，可以同時檢測 169 種以上的人類病毒。
杜德納稱，其他 Cas 酶可以充實診斷工具箱，包括 Cas12 蛋白，它表現(xiàn)出與 Cas13 相似的特性，但其目標(biāo)是 DNA 而不是 RNA?？傮w而言，這些技術(shù)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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