The Scientist:2015四大技術突破(成像、光遺傳學、單細胞分析...

　　12月24日，The Scientist評選出了「Top Technical Advances 2015」，成像、光遺傳學、單細胞分析以及基因編輯技術CRISIPR入選。那麼，我們就一起看看這四大技術在過去的一年中都取得了哪些進展吧。

　　成像

　　今年，生命科學的成像領域打破了過去的壁壘，科學家們通過顯微鏡學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.

 

　　在過去的十年裡，一種稱作為體內振動光譜成像(vibrational spectroscopicimaging)的技術一直被用來捕捉一些活體組織中蛋白質、脂類、核酸和其他分子的活動。儘管這一技術可在無需螢光標記的條件下顯影組織，但它仍然太慢而無法適用於大多數的研究和臨床應用。

　　10月30日，Purdue大學的科學家們報告稱，他們利用體內振動光譜成像技術大大提高了收集圖片的速度(從分到秒)。新技術最關鍵的改進是不再需要收集分子振動信號的光譜儀。取而代之的是，這一改進的技術在光子進入組織前會對其進行顏色編碼。

　　該研究的通訊作者 Ji-Xin Cheng 說：「我們的想法是在將光子發送到組織前，用不同的兆赫頻率進行顏色編碼。通過這樣的方式，我們能夠在幾十微妙內收集漫射光子，並通過編碼頻率和光顏色之間的一一對應檢索光譜。」

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

　　同一個月，發表在《Nature Methods》上的一項研究中，霍華德休斯醫學研究所Philipp Keller領導的研究小組發明的一款新型顯微鏡讓科學家們能夠更加清晰、全面的觀察活體動物的生物過程。

　　這款顯微鏡能夠產生完整的、不透明生物體的圖像，包括斑馬魚或果蠅的胚胎，在三個維度都有足夠的解析度，每個細胞都能展現出明顯的結構。更重要的是，它能夠觀察到胚胎發育過程中細胞的移動，還能夠監測大腦活動。研究人員用它記錄了果蠅神經系統發育的過程，最終共有10,000個細胞。

　　光遺傳學

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

　　今年11月，MIT的Edward Boyden和史丹福大學的Karl Deisseroth因他們在光遺傳學領域的工作獲得了表彰。光遺傳學技術是指通過光線來操控神經元，科學家們一直在不斷的改進這一技術。

　　本月前，在芝加哥舉行的神經科學學會會議上，Deisseroth等人提出了全光電生理學(all-optical electrophysiology)的升級版。哈佛大學Adam Cohen和他的團隊開發出了一種reporter，當引入到細胞中去時，在電壓發生改變的情況下會發出紅外線。Cohen與Boyden一起，將電壓指示器與一種響應藍光的膜通道一起導入到了細胞中，這使得研究人員能夠用藍光開啟細胞，用紅外線記錄它們的活動。

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

　　今年6月，發表在《科學》雜誌上的一項研究中，研究人員在海藻中發現了一種紫紅質通道蛋白(channelrhodopsin)，與先前開發的工程通道相比，它能夠更快地抑制神經元活動。科學家們還開發出了一種對在光遺傳學控制下神經元作出即時反饋的方法，維持它們的活性在一個理想的狀態。這一「神經恆溫器」(neuro thermostat)可在24小時內控制細胞的firing rate常數。

　　單細胞分析

　　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，單細胞分析蓬勃發展，研究成果不斷湧出，技術也越來越精準。今年，通過單細胞分析，科學家們鑑定出了一個新的細菌們，檢測了小鼠腸道內最珍貴的細胞類型。5月，發表在《細胞》雜誌上的兩項研究使單細胞轉錄組學有了一個相當大的飛躍，並行檢測的細胞數量從約100增加到了幾千。

　　哈佛大學的Marc Kirschner和Steve McCarrol實驗室開發出了一些高通量技術，能夠在樣本進入到攪拌器中去之前，快速、輕鬆、廉價地賦予每個細胞獨特的遺傳條形碼。研究小組希望他們的技術將能夠幫助生物學家們更深入地發現和分類機體中的細胞類型，繪製出大腦一類複雜組織中的細胞多樣性圖譜，更好地了解幹細胞分化，以及獲得更多有關疾病遺傳學的認識。

　　兩個研究小組各自開發了一些方法利用微珠將大量不同的DNA條形碼同時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胞和微珠一起裝入這些液滴中。這些液滴是在一個小型裝配線上生成，沿著一根頭髮寬的槽道流動。微珠條形碼附著到每個細胞的一些基因上，因此科學家們可以一批次測序所有的基因，追蹤每個基因的來源細胞。

　　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，其他一些人則專注於改進這一技術。

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

　　6月15日，發表在《Nature Biotechnology》上的一項研究中，科學家們結合CRISPR與光遺傳學構建出了一種系統：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間上更好地控制RNA引導的核酸酶的活性。

　　研究人員通過首先將Cas9蛋白分成兩個失活的片段構建出了paCas9。隨後他們讓每個片段連接一個光控開關蛋白Magnet。當受到藍光照射時，兩個Magnet蛋白結合到一起，分開的Cas9片段隨之結合重建出了RNA引導的Cas9核酸酶活性。重要的是，這一過程是可逆的：當切斷光線時，paCas9核酸酶會再度分裂，核酸酶活性終止。

　　Rationally engineered Cas9 nucleases with improved specificity. Science.

　　Cas9酶是基因編輯系統中一個非常關鍵的組成部分，而脫靶效應一直是CRISPR技術需要克服的重大技術問題。11月30日，發表在《科學》雜誌上的一項研究中，麻省理工學院-哈佛醫學院Broad研究所CRISPR大神張鋒的研究小組又取得了一項突破性的成果。研究人員通過創建了3個新版本的Cas9酶大大降低了CRISPR/Cas9系統的脫靶效應;有效改善了這一技術的最大局限性之一。

　　In vivo genome editing using Staphylococcus aureus Cas9.Nature.

　　4月1日，發表在《自然》雜誌上的一項研究中，張鋒研究小組還鑑別出了一種更小的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解決方案。並未參與這項研究的杜克大學的 Charles Gersbach 說：「真正讓人興奮的是saCas9在體內真的能發揮作用。」

　　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》發表了他們的研究成果。研究人員結合一種組蛋白乙醯轉移酶與Cas9構建出了一種表觀遺傳編輯器。他們破壞了Cas9切割DNA的能力，轉而利用它作為一種自動引導裝置到達基因組中的正確位點，並通過組蛋白乙醯化來啟動基因。

　　備註：本文部分內容參考自生物通網站。