? 從基因編輯到蛋白質結構測定再到量子計算，他們是未來一年可能對科學領域產生影響的七項技術。 一、完整測序的人類基因組 當加利福尼亞大學圣克魯茲分校的基因組學研究人員Karen Miga和馬里蘭州貝塞斯達國家人類基因組研究所的Adam Phillippy在2019年啟動“端粒到端?！保═elomere to Telomere consortium，T2T）聯盟時，大約十分之一的人類基因組仍然未知。 現在，這個數字已降至為零。 在去年5月發表的預印本中，該聯盟公布了人類基因組的第一個端到端序列，從一個端粒（覆蓋染色體末端的重復序列元件）延伸到另一個端粒的基因組圖譜，為廣泛使用的人類共有基因組序列GRCh38增加了近2億個新堿基對，撰寫了人類基因組計劃的最后一章。 “端粒到端?！甭撁苏趯φ麄€染色體進行測序。 圖片來源：Adrian T. Sumner/SPL ? 二、蛋白質結構解決方案 蛋白質的結構決定了它的功能，但其結構很難解析。近兩年的重大實驗和計算進步為研究人員提供了兩種可以以前所未有的速度和分辨率確定蛋白質結構的補充工具。 由Alphabet在倫敦的子公司DeepMind開發的AlphaFold2結構預測算法，通過“深度學習”從氨基酸序列中推斷出折疊蛋白質的形狀。在2020年蛋白質結構預測技術的關鍵測試（CASP）中，計算生物學家直接測試了他們的結構預測算法，在此競賽中取得決定性勝利后，AlphaFold2的聲譽和采用率皆飆升。自去年7月公開發布以來，AlphaFold2已被應用于蛋白質組學，以確定在人類和20種模式生物中表達的所有蛋白質，以及Swiss-Prot數據庫中的近44萬種蛋白質的結構，大大增加了可獲得高可信度建模數據的蛋白質的數量。AlphaFold算法也證明了其處理多鏈蛋白質復合物的能力。 與此同時，低溫電子顯微鏡(cryo-EM)的改進使研究人員能夠通過實驗解決即使是最具挑戰性的蛋白質和復合物。Cryo-EM使用電子束掃描快速冷凍的分子，生成多個方向的蛋白質圖像，然后通過計算重新組裝成3D結構。2020年，cryo-EM硬件和軟件的改進使科學家能夠以分辨率低于1.5埃的結構捕獲單個原子的位置。 許多最初對AlphaFold2持懷疑態度的實驗者現在將其視為對低溫電鏡等實驗方法的補充，其計算模型可以幫助數據分析和重建。而低溫電鏡可以生成目前無法通過計算預測的實驗結果。 人類核孔復合物的模型，使用AlphaFold2和結構數據構建。圖片來源：Agnieszka Obarska-Kosinska ? 來自低溫電子顯微鏡的圖像有助于解決復雜的結構。 圖片來源：Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology ? 三、量子模擬 原子在適當的條件下，可以被誘導進入高度激發的超大尺寸狀態，直徑約為一微米或更大。物理學家已經證明，通過激發數百個原子列，他們可以解決傳統計算機所不能解決的物理問題。 量子計算機以量子比特的形式管理數據。量子比特由稱為糾纏的量子物理現象耦合在一起，可以在一定距離內相互影響。相對于經典計算機中同等數量的比特，量子比特可以極大地提高計算能力。 物理學家使用光學鑷子將不帶電的原子精確定位在緊密排列的2D和3D陣列中，然后使用激光將這些粒子激發成大直徑的“Rydberg原子”，并與相鄰原子糾纏在一起。Rydberg原子系統是單獨可控的，它們的相互作用可以打開和關閉，這反過來又賦予了它們可編程性。 該領域的先驅者已經成立了一些公司，這些公司正在開發基于Rydberg原子陣列的系統供實驗室使用。這項工作也可以為量子計算機在經濟、物流和加密等領域的廣泛應用鋪平道路。 ? 四、精確的基因組編輯 就其基因組編輯能力而言，CRISPR-Cas9技術更適合基因失活而不是基因修復。這是因為盡管Cas9酶能相對精確地靶向基因組序列，但由DNA雙鏈斷裂引發的非同源末端連接（NHEJ）的細胞修復經常因微小的插入或缺失而變得混亂。 哈佛大學化學生物學家David Liu指出，大多數遺傳疾病需要基因修正而不是基因破壞。Liu和他的團隊已經開發出兩種方法來做到這一點，兩者都利用了CRISPR的精確靶向定位，同時也限制了Cas9酶在該位點切割DNA的能力。第一種方法被稱為堿基編輯（Base editing），將催化受損的Cas9與一種酶結合，該酶可以幫助一種核苷酸化學轉化為另一種核苷酸——例如，胞嘧啶轉化為胸腺嘧啶或腺嘌呤轉化為鳥嘌呤。另一種方法被稱為先導編輯（Prime editing），是該團隊新開發的技術，將Cas9與一種稱為逆轉錄酶的酶結合，并使用一種經過修飾的向導RNA，以包含對目標基因組序列的所需編輯。通過多階段生化過程，它們將向導RNA復制到目標DNA中，最終取代目標基因組序列。重要的是，Base editing和Prime editing都只切割一條DNA鏈，這對細胞來說是一種更安全、破壞性更小的過程。 Base editing在2016年首次出現在科學論文中，現已進入臨床階段：由Liu創立，總部位于劍橋的Beam Therapeutics于11月獲得美國FDA的批準，首次在人體內試驗這種方法，以修復導致鐮狀細胞病的基因。 ? CRISPR-Cas9基因編輯復合物使用向導RNA（紅色）切割目標DNA（藍色）。 圖片來源：Mulekuul/SPL ? 五、靶向基因治療 基于核酸的藥物可應用于臨床，但它們可應用于的組織范圍仍然受到很大限制。大多數療法需要局部給藥，或從患者身上采集細胞、進行離體操作、然后移植回患者體內。肝臟是其中一個例外，這一過濾血液的器官是特異性藥物遞送的一個主要靶點。靜脈輸注、甚至皮下注射都可以達到肝臟特異性遞送的效果。 腺相關病毒是許多基因治療的首選載體，動物研究表明，仔細選擇合適的病毒與組織特異性基因啟動子相結合，可以有效地將藥物地送到特定的器官系統，同時不影響其他非靶組織。然而，病毒有時難以大規模生產，并且會引發過度免疫反應，從而破壞療效或產生不良反應。 脂質納米顆粒是一種非病毒替代策略，過去幾年發表的幾項研究強調了可調整其特異性的潛力。 ? 六、空間多組學 隨著單細胞組學領域的爆炸式發展，現在研究人員可以常規地從單個細胞中獲得遺傳學、轉錄組學、表觀遺傳學和蛋白質組學的信息——有時甚至是同時進行的。但是單細胞技術也會因為細胞從其原生環境中被剝離出來而損失關鍵信息。 2016年，由斯德哥爾摩KTH皇家理工學院的Joakim Lundeberg領導的研究團隊設計出一種載玻片，裝載了帶條形碼的寡核苷酸（RNA或DNA的短鏈），可以從完整的組織切片中捕獲信使RNA，這樣每個轉錄物就可以根據其條形碼被分配到樣本中的特定位置。此后，空間轉錄組學領域的研究呈爆炸式增長?，F已有多種商業系統可用。學術團體繼續開發創新方法，以不斷增加的深度和空間分辨率繪制基因表達圖譜。 現在，研究人員正在他們的空間地圖之上進一步分層“組學見解”。例如，康涅狄格州紐黑文耶魯大學的生物醫學工程師范榮開發了一個名為 DBiT-seq 16的平臺，它采用了一種微流體系統，可以同時為數千個 mRNA 轉錄物和數百個用寡核苷酸標記的抗體標記的蛋白質生成條形碼。與僅從轉錄組數據中獲得的數據相比，這可以更準確地評估細胞基因表達如何影響蛋白質的產生和活性，范的團隊一直在使用它來研究免疫細胞激活等過程。“我們正在看到皮膚中的免疫細胞如何對 Moderna COVID-19 疫苗作出反應的早期跡象，”他說。一些商業系統還可以從多種蛋白質中獲取空間數據，同時獲取轉錄組學見解，包括 Visium 平臺和 Nanostring 的 GeoMx 系統。 ? 七、基于CRISPR的診斷 CRISPR-Cas系統能夠精確切割特定核酸序列，這項功能源于其作為細菌“免疫系統”在對抗病毒感染時產生的作用?？茖W家因此考慮該系統是否適用于病毒診斷。 Cas9是基于CRISPR的基因組操作的首選酶，但基于CRISPR的診斷大部分都使用了稱為Cas13的RNA靶向分子家族，該家族于2016年由麻省理工學院-哈佛大學布羅德研究所分子生物學家張鋒及其團隊首次發現。Cas13使用向導RNA通過堿基配對識別靶標RNA并激活核糖核酸酶活性，通過使用報告RNA，此過程可用作一種診斷工具。這是因為Cas13不僅可以切割向導RNA靶向的RNA，它還對附近的任何其他RNA分子進行“附帶切割”。許多基于Cas13的檢測方法使用一種報告RNA，該RNA將熒光標簽連接到抑制該熒光的猝滅劑分子上。當Cas13在識別病毒RNA后被激活時，它會切割報告基因并從猝滅劑中釋放熒光標簽，從而產生可檢測的信號。一些病毒留下了足夠強的特征，檢測可以在不放大的情況下進行，從而簡化了即時診斷。 RNA擴增程序可以提高對微量病毒序列檢測的靈敏度，布羅德研究所的遺傳學家Pardis Sabeti和她的同事開發了一種微流體系統，該系統使用僅來自幾微升樣本的擴增遺傳物質并行篩選多種病原體。她說：“現在，我們有一種檢測方法可以同時檢測21種病毒，而每份樣本的成本不到10美元?！?/span> ? ? ? 文獻來源： ? Nature 601, 658-661 (2022) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00163-x
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