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

　　12月24日，The Scientist評選出了“Top Technical Advances 2015”，成像、光遺傳學(xué)、單細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(guò)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(guò)去的壁壘，科學(xué)家們通過(guò)顯微鏡學(xué)方法越來(lái)越深入的觀(guān)察到了生命組織。

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

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

　　10月30日，Purdue大學(xué)的科學(xué)家們報告稱(chēng)，他們利用體內振動(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 )對其進(jìn)行顏色編碼。 リンク： www.iphone6spcase.comiphoneケース iPhone6/iPhone6Sケース 手帳型iphoneケース

　　該研究的通訊作者 Ji-Xin Cheng 說(shuō)：“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(guò)這樣的方式，我們能夠在幾十微妙內收集漫射光子，并通過(guò)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(gè)月，發(fā)表在《Nature Methods》上的一項研究中，霍華德休斯醫學(xué)研究所Philipp Keller領(lǐng)導的研究小組發(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(guān)察活體動(dòng)物的生物過(guò)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(yú)或果蠅的胚胎，在三個(gè)維度都有足夠的分辨率，每個(gè)細胞都能展現出明顯的結構。更重要的是，它能夠觀(guān)察到胚胎發(fā)育過(guò)程中細胞的移動(dòng)，還能夠監測大腦活動(dòng)。研究人員用它記錄了果蠅神經(jīng)系統發(fā)育的過(guò)程，最終共有10,000個(gè)細胞。

　　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因他們在光遺傳學(xué)領(lǐng)域的工作獲得了表彰。光遺傳學(xué)技術(shù)是指通過(guò)光線(xiàn)來(lái)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)的升級版。哈佛大學(xué)Adam Cohen和他的團隊開(kāi)發(fā)出了一種reporter，當引入到細胞中去時(shí)，在電壓發(fā)生改變的情況下會(huì )發(fā)出紅外線(xiàn)。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(kāi)啟細胞，用紅外線(xiàn)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)》雜志上的一項研究中，研究人員在海藻中發(fā)現了一種紫紅質(zhì)通道蛋白(channelrhodopsin)，與先前開(kāi)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(kāi)發(fā)出了一種對在光遺傳學(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(lái)，單細胞分析蓬勃發(fā)展，研究成果不斷涌出，技術(shù)也越來(lái)越精準。今年，通過(guò)單細胞分析，科學(xué)家們鑒定出了一個(gè)新的細菌們，檢測了小鼠腸道內最珍貴的細胞類(lèi)型。5月，發(fā)表在《細胞》雜志上的兩項研究使單細胞轉錄組學(xué)有了一個(gè)相當大的飛躍，并行檢測的細胞數量從約100增加到了幾千。

　　哈佛大學(xué)的Marc Kirschner和Steve McCarrol實(shí)驗室開(kāi)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)細胞獨特的遺傳條形碼。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)現和分類(lèi)機體中的細胞類(lèi)型，繪制出大腦一類(lèi)復雜組織中的細胞多樣性圖譜，更好地了解干細胞分化，以及獲得更多有關(guān)疾病遺傳學(xué)的認識。

　　兩個(gè)研究小組各自開(kāi)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(wàn)納米大小的液滴中。兩種方法都利用了微流體裝置來(lái)將細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(xiàn)上生成，沿著(zhù)一根頭發(fā)寬的槽道流動(dòng)。微珠條形碼附著(zhù)到每個(gè)細胞的一些基因上，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(lái)源細胞。

　　CRISPR

　　我們熟知的基因編輯工具CRISPR不斷帶來(lái)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(zhuān)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》上的一項研究中，科學(xué)家們結合CRISPR與光遺傳學(xué)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(shí)間上更好地控制RNA引導的核酸酶的活性。

　　研究人員通過(guò)首先將Cas9蛋白分成兩個(gè)失活的片段構建出了paCas9。隨后他們讓每個(gè)片段連接一個(gè)光控開(kāi)關(guān)蛋白Magnet。當受到藍光照射時(shí)，兩個(gè)Magnet蛋白結合到一起，分開(kāi)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(guò)程是可逆的：當切斷光線(xiàn)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酶是基因編輯系統中一個(gè)非常關(guān)鍵的組成部分，而脫靶效應一直是CRISPR技術(shù)需要克服的重大技術(shù)問(wèn)題。11月30日，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項研究中，麻省理工學(xué)院-哈佛醫學(xué)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(guò)創(chuàng )建了3個(gè)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(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(wú)法裝入到腺病毒載體中。這項研究中介紹了一種來(lái)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(wèn)題提供了一個(gè)解決方案。并未參與這項研究的杜克大學(xué)的 Charles Gersbach 說(shuō)：“真正讓人興奮的是saCas9在體內真的能發(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。研究人員結合一種組蛋白乙酰轉移酶與Cas9構建出了一種表觀(guān)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(dòng)引導裝置到達基因組中的正確位點(diǎn)，并通過(guò)組蛋白乙�；瘉�(lái)啟動(dòng)基因。