The Scientist：2015四大技術(shù)突破（成像、光遺傳學(xué)、單細(xì)胞分析、CRISIPR）

 12月24日，The Scientist評(píng)選出了“Top Technical Advances 2015”，成像、光遺傳學(xué)、單細(xì)胞分析以及基因編輯技術(shù)CRISIPR入選。那么，我們就一起看看這四大技術(shù)在過去的一年中都取得了哪些進(jìn)展吧。

  成像

  今年，生命科學(xué)的成像領(lǐng)域打破了過去的壁壘，科學(xué)家們通過顯微鏡學(xué)方法越來越深入的觀察到了生命組織。

  Spectrometer-free vibrational imaging by retrieving stimulated Raman signal from highly scattered photons. Science Advances.

  在過去的十年里，一種稱作為體內(nèi)振動(dòng)光譜成像(vibrational spectroscopicimaging)的技術(shù)一直被用來捕捉一些活體組織中蛋白質(zhì)、脂類、核酸和其他分子的活動(dòng)。盡管這一技術(shù)可在無需熒光標(biāo)記的條件下顯影組織，但它仍然太慢而無法適用于大多數(shù)的研究和臨床應(yīng)用。

  10月30日，Purdue大學(xué)的科學(xué)家們報(bào)告稱，他們利用體內(nèi)振動(dòng)光譜成像技術(shù)大大提高了收集圖片的速度(從分到秒)。新技術(shù)最關(guān)鍵的改進(jìn)是不再需要收集分子振動(dòng)信號(hào)的光譜儀。取而代之的是，這一改進(jìn)的技術(shù)在光子進(jìn)入組織前會(huì)對(duì)其進(jìn)行顏色編碼。

  該研究的通訊作者 Ji-Xin Cheng 說：“我們的想法是在將光子發(fā)送到組織前，用不同的兆赫頻率進(jìn)行顏色編碼。通過這樣的方式，我們能夠在幾十微妙內(nèi)收集漫射光子，并通過編碼頻率和光顏色之間的一一對(duì)應(yīng)檢索光譜。”

 Whole-animal functional and developmental imaging with isotropic spatial resolution. Nature Methods.

  同一個(gè)月，發(fā)表在《Nature Methods》上的一項(xiàng)研究中，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所Philipp Keller領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)明的一款新型顯微鏡讓科學(xué)家們能夠更加清晰、全面的觀察活體動(dòng)物的生物過程。

  這款顯微鏡能夠產(chǎn)生完整的、不透明生物體的圖像，包括斑馬魚或果蠅的胚胎，在三個(gè)維度都有足夠的分辨率，每個(gè)細(xì)胞都能展現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)。更重要的是，它能夠觀察到胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞的移動(dòng)，還能夠監(jiān)測大腦活動(dòng)。研究人員用它記錄了果蠅神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的過程，最終共有10,000個(gè)細(xì)胞。

 光遺傳學(xué)

All-Optical Interrogation of Neural Circuits. Journal of Neuroscience .

  今年11月，MIT的Edward Boyden和斯坦福大學(xué)的Karl Deisseroth因他們?cè)诠膺z傳學(xué)領(lǐng)域的工作獲得了表彰。光遺傳學(xué)技術(shù)是指通過光線來操控神經(jīng)元，科學(xué)家們一直在不斷的改進(jìn)這一技術(shù)。

  本月前，在芝加哥舉行的神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議上，Deisseroth等人提出了全光電生理學(xué)(all-optical electrophysiology)的升級(jí)版。哈佛大學(xué)Adam Cohen和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種reporter，當(dāng)引入到細(xì)胞中去時(shí)，在電壓發(fā)生改變的情況下會(huì)發(fā)出紅外線。Cohen與Boyden一起，將電壓指示器與一種響應(yīng)藍(lán)光的膜通道一起導(dǎo)入到了細(xì)胞中，這使得研究人員能夠用藍(lán)光開啟細(xì)胞，用紅外線記錄它們的活動(dòng)。

  Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics. Science.

  今年6月，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究中，研究人員在海藻中發(fā)現(xiàn)了一種紫紅質(zhì)通道蛋白(channelrhodopsin)，與先前開發(fā)的工程通道相比，它能夠更快地抑制神經(jīng)元活動(dòng)?？茖W(xué)家們還開發(fā)出了一種對(duì)在光遺傳學(xué)控制下神經(jīng)元作出即時(shí)反饋的方法，維持它們的活性在一個(gè)理想的狀態(tài)。這一“神經(jīng)恒溫器”(neuro thermostat)可在24小時(shí)內(nèi)控制細(xì)胞的firing rate常數(shù)。

  單細(xì)胞分析

  Droplet Barcoding for Single-Cell Transcriptomics Applied to Embryonic Stem Cells. Cell

  Highly Parallel Genome-wide Expression Profiling of Individual Cells Using Nanoliter Droplets. Cell

  近年來，單細(xì)胞分析蓬勃發(fā)展，研究成果不斷涌出，技術(shù)也越來越精準(zhǔn)。今年，通過單細(xì)胞分析，科學(xué)家們鑒定出了一個(gè)新的細(xì)菌們，檢測了小鼠腸道內(nèi)最珍貴的細(xì)胞類型。5月，發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的兩項(xiàng)研究使單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)有了一個(gè)相當(dāng)大的飛躍，并行檢測的細(xì)胞數(shù)量從約100增加到了幾千。

  哈佛大學(xué)的Marc Kirschner和Steve McCarrol實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一些高通量技術(shù)，能夠在樣本進(jìn)入到攪拌器中去之前，快速、輕松、廉價(jià)地賦予每個(gè)細(xì)胞獨(dú)特的遺傳條形碼。研究小組希望他們的技術(shù)將能夠幫助生物學(xué)家們更深入地發(fā)現(xiàn)和分類機(jī)體中的細(xì)胞類型，繪制出大腦一類復(fù)雜組織中的細(xì)胞多樣性圖譜，更好地了解干細(xì)胞分化，以及獲得更多有關(guān)疾病遺傳學(xué)的認(rèn)識(shí)。

  兩個(gè)研究小組各自開發(fā)了一些方法利用微珠將大量不同的DNA條形碼同時(shí)傳送到幾十萬納米大小的液滴中。兩種方法都利用了微流體裝置來將細(xì)胞和微珠一起裝入這些液滴中。這些液滴是在一個(gè)小型裝配線上生成，沿著一根頭發(fā)寬的槽道流動(dòng)。微珠條形碼附著到每個(gè)細(xì)胞的一些基因上，因此科學(xué)家們可以一批次測序所有的基因，追蹤每個(gè)基因的來源細(xì)胞。

  CRISPR

  我們熟知的基因編輯工具CRISPR不斷帶來新的研究成果，在許多研究人員利用CRISPR的同時(shí)，其他一些人則專注于改進(jìn)這一技術(shù)。

  Photoactivatable CRISPR-Cas9 for optogenetic genome editing. Nature Biotechnology.

  6月15日，發(fā)表在《Nature Biotechnology》上的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們結(jié)合CRISPR與光遺傳學(xué)構(gòu)建出了一種系統(tǒng)：一種光激活的新型Cas9核酸酶使得研究人員能夠在空間和時(shí)間上更好地控制RNA引導(dǎo)的核酸酶的活性。

  研究人員通過首先將Cas9蛋白分成兩個(gè)失活的片段構(gòu)建出了paCas9。隨后他們讓每個(gè)片段連接一個(gè)光控開關(guān)蛋白Magnet。當(dāng)受到藍(lán)光照射時(shí)，兩個(gè)Magnet蛋白結(jié)合到一起，分開的Cas9片段隨之結(jié)合重建出了RNA引導(dǎo)的Cas9核酸酶活性。重要的是，這一過程是可逆的：當(dāng)切斷光線時(shí)，paCas9核酸酶會(huì)再度分裂，核酸酶活性終止。

  Rationally engineered Cas9 nucleases with improved specificity. Science.

  Cas9酶是基因編輯系統(tǒng)中一個(gè)非常關(guān)鍵的組成部分，而脫靶效應(yīng)一直是CRISPR技術(shù)需要克服的重大技術(shù)問題。11月30日，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究中，麻省理工學(xué)院-哈佛醫(yī)學(xué)院Broad研究所CRISPR大神張鋒的研究小組又取得了一項(xiàng)突破性的成果。研究人員通過創(chuàng)建了3個(gè)新版本的Cas9酶大大降低了CRISPR/Cas9系統(tǒng)的脫靶效應(yīng);有效改善了這一技術(shù)的最大局限性之一。

  In vivo genome editing using Staphylococcus aureus Cas9.Nature.

  4月1日，發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，張鋒研究小組還鑒別出了一種更小的Cas9核酸酶版本。最常使用的Cas9酶源自化膿性鏈球菌(SpCas9)，因太大而無法裝入到腺病毒載體中。這項(xiàng)研究中介紹了一種來自金黃色葡萄球菌的Cas9核酸酶(saCas9)，它比SpCas9小25%，從而為腺病毒的包裝問題提供了一個(gè)解決方案。并未參與這項(xiàng)研究的杜克大學(xué)的 Charles Gersbach 說：“真正讓人興奮的是saCas9在體內(nèi)真的能發(fā)揮作用。”

  Epigenome editing by a CRISPR-Cas9-based acetyltransferase activates genes from promoters and enhancers. Nature Biotechnology.

  同月6日，Gersbach和同事們也在《Nature Biotechnology》發(fā)表了他們的研究成果。研究人員結(jié)合一種組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶與Cas9構(gòu)建出了一種表觀遺傳編輯器。他們破壞了Cas9切割DNA的能力，轉(zhuǎn)而利用它作為一種自動(dòng)引導(dǎo)裝置到達(dá)基因組中的正確位點(diǎn)，并通過組蛋白乙?；瘉韱?dòng)基因。