發(fā)布日期：2018-09-07
近年來，現(xiàn)代生命科學(xué)與生物技術(shù)取得了一系列重要突破，從早先觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)的顯微鏡到允許改造編輯生物生命密碼的工具，全新的技術(shù)正在加速我們對(duì)生物系統(tǒng)的理解，并且正在向應(yīng)用領(lǐng)域滲透?；蚓庉?、精準(zhǔn)醫(yī)療、高通量測(cè)序等詞開始被大眾談起。而這些生物技術(shù)在解決資源、環(huán)境、健康等問題上有著巨大的潛力。
近期，《科學(xué)》雜志出了技術(shù)轉(zhuǎn)化生物學(xué)特刊。特刊包含1篇社論、4篇綜述和1篇研究性論文，其中不乏盧冠達(dá)、莊小威、程亦凡、謝曉亮等華人科學(xué)家的身影。這些文章突出報(bào)道了強(qiáng)大的新技術(shù)，這些技術(shù)正在打破生物學(xué)研究中可能的壁壘。
CRISPR-Cas技術(shù)
CRISPR-Cas系統(tǒng)的多樣性、模塊化和有效性正在推動(dòng)一場(chǎng)生物技術(shù)革命。在第一篇綜述中，加文·諾特（Gavin Knott）和詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）概述了CRISPR-Cas系統(tǒng)，討論了CRISPR-Cas系統(tǒng)與其他基因編輯技術(shù)的區(qū)別，以及該系統(tǒng)如何用于治療人類遺傳性疾?。ㄈ缂I(yíng)養(yǎng)不良癥）和設(shè)計(jì)農(nóng)作物的遺傳特性。
體內(nèi)DNA編寫技術(shù)
盧冠達(dá)（Timothy Lu）和法希姆·法爾扎法德（Fahim Farzadfard）在第二篇綜述中討論了另一種動(dòng)態(tài)基因組工程技術(shù)——體內(nèi)DNA編寫（in vivo DNA writing），享有細(xì)胞DNA“錄音機(jī)”的美稱。該技術(shù)能將基因組DNA轉(zhuǎn)化為在活細(xì)胞內(nèi)記錄存儲(chǔ)生物和人工信息的介質(zhì)。作者概述了該技術(shù)一系列潛在的用途，包括了創(chuàng)建活體生物傳感器，進(jìn)而追蹤整個(gè)發(fā)育過程中的細(xì)胞譜系，并討論了技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)階段的局限。
超高分辨率顯微技術(shù)
在第三篇綜述中，莊小威團(tuán)隊(duì)概述了超高分辨率顯微方法、先進(jìn)的功能和在生物學(xué)上不斷拓展的應(yīng)用。由于突破了衍射極限這一傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡長(zhǎng)久以來的障礙，超高分辨率成像方法能夠顯示生物系統(tǒng)中早先無法觀察到的分子細(xì)節(jié)，因此可用于細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生命系統(tǒng)的納米級(jí)三維成像，幫助理解生命的分子基礎(chǔ)，如揭示神經(jīng)元突觸的形式和功能。盡管該技術(shù)仍然存在局限性，但有朝一日，技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展將能夠全面了解信號(hào)通路及其相關(guān)分子組成。
冷凍電子顯微鏡技術(shù)
在第四篇綜述中，程亦凡關(guān)注另一種類型的成像——冷凍電子顯微鏡技術(shù)（cryo-EM，冷凍電鏡），它開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的新紀(jì)元。該綜述概述了冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展歷程，并討論了它們的突破性進(jìn)展和未來發(fā)展方向。其中，單一微粒冷凍電子顯微術(shù)（single particle cryo-EM）幫助研究人員解析近原子分辨率的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。程亦凡認(rèn)為，這一技術(shù)徹底改變了結(jié)構(gòu)生物學(xué)中復(fù)雜問題的解決方式，為基于結(jié)構(gòu)的其他研究打開了新的大門。
Dip-C——全新的基因組3D結(jié)構(gòu)重建
最后，在本期的報(bào)告中，謝曉亮團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的基因組三維結(jié)構(gòu)重建方法。除了序列之外，基因組的3D結(jié)構(gòu)在基因表達(dá)調(diào)控中起著重要作用。雖然先前的研究已經(jīng)報(bào)道了小鼠單倍體細(xì)胞的3D基因組結(jié)構(gòu)，但重建二倍體哺乳動(dòng)物細(xì)胞的3D基因組結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。研究人員新開發(fā)單細(xì)胞染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（Dip-C）成功重建單個(gè)二倍體人類細(xì)胞的3D基因組結(jié)構(gòu)。研究還表明3D基因組結(jié)構(gòu)取決于來源的組織，對(duì)各種組織中細(xì)胞類型的系統(tǒng)調(diào)查有可能促使細(xì)胞分化、癌癥、學(xué)習(xí)記憶以及衰老等領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。
至于這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在哪里以及有哪些應(yīng)用？這項(xiàng)研究的第一作者譚隆志博士介紹：“Dip-C 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有兩點(diǎn)。首先它的分辨率高，超過了普通光學(xué)顯微鏡，可以研究基因的精細(xì)結(jié)構(gòu)，比方說我們觀察了H19/IGF2 這個(gè)經(jīng)典的印跡位點(diǎn)。更重要的是，利用父母基因組之間僅0.1％的細(xì)微差異，我們得以區(qū)分這兩套染色體，首次獲得了雙倍體細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)。以往的技術(shù)只能研究單倍體，因此只能研究一種特殊的小鼠單倍體細(xì)胞系，對(duì)正常細(xì)胞、尤其是人類細(xì)胞無能為力。所以 Dip-C 特別適合研究各種人類組織，比如說我們?nèi)砗痛竽X里的各種神經(jīng)元、免疫細(xì)胞、上皮細(xì)胞等，為我們建高分辨率人類細(xì)胞圖譜提供了絕佳工具。另外很多疾病，尤其是癌癥，會(huì)伴有明顯的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和表觀基因組異常。醫(yī)學(xué)上癌癥里很重要的指標(biāo)之一，就是細(xì)胞核的大小和形態(tài)，所以 Dip-C 也非常適合研究這些疾病。”（馮 梟 作者系中山大學(xué)碩士研究生）
來源：科技日?qǐng)?bào)
