日前，國際頂尖學術期刊Nature發布了年度值得關注的技術榜單，作者表示這些工具有望在今年對科學研究產生重大影響。當「端粒到端粒」（Telomere-to-Telomere，T2T）研究項目在2019年啟動時，接近十分之一的人類基因組（主要為異染色質和其它複雜區域）仍然沒有完成測序或者錯誤較多。去年5月，T2T項目首次報告了人類基因組的端到端序列，在廣泛使用的人類基因組圖譜（GRCh38）的基礎上添加了接近2億個新鹼基對，為人類基因組計劃寫上了最後的章節。最初在2013年發布的GRCh38因為使用的短讀測序技術的局限，無法確鑿地描繪出高度重複基因組序列的圖譜，這包括染色體兩端的端粒，和在細胞分裂中調控新複製DNA分配的着絲粒（centromeres）。長讀測序技術為對這些區域進行測序帶來了突破，這一技術可以一次對長度為數萬到數十萬鹼基對的片段進行測序，從而讓T2T項目的科學家們能夠發現長段重複序列中的微小變異。這些像指紋一樣的微小變異讓他們能夠追蹤不同的重複序列，完成對剩餘基因組的測序。牛津納米孔技術公司（ONT）的技術平台還能夠捕捉到調控基因表達的多種DNA修飾，這讓T2T的科學家能夠在基因組範圍描繪表觀遺傳學標誌。目前，T2T的合作機構之一，人類泛基因組參考聯盟（Human Pangenome Reference Consortium）致力於通過對全球上百名供體的基因組進行測序，生成反映人類等位基因多樣性，更具代表性的基因組圖譜。該組織的目標是捕捉到97%的人類等位基因多樣性。科學家表示，利用新近的全基因組測序技術，有望在未來生成地球上所有脊椎動物物種的全基因組圖譜。蛋白結構決定蛋白功能，然而解析蛋白結構卻並不容易。過去兩年裡，實驗技術和計算領域的進步賦予研究人員相輔相成的工具，讓他們能以前所未有的速度和分辨率解析蛋白結構。由DeepMind公司開發的AlphaFold2人工智能算法，依靠深度學習策略根據蛋白的氨基酸序列預測蛋白結構。去年7月發布的論文顯示，它能夠預測出98.5%的人類蛋白結構。同時，華盛頓大學蛋白設計研究所David Baker教授團隊構建的RoseTTAFold軟件系統在預測蛋白結構方面也表現出與AlphaFold2相當的能力。詳情：Nature+Science：AI僅用幾分鐘就解開蛋白結構，結構生物學家會失業嗎？與此同時，冷凍電鏡（Cryo-EM）技術的發展讓研究人員能夠通過實驗，解析最具挑戰性的蛋白和複合體的結構。在2020年，冷凍電鏡硬件和軟件的進步讓兩支團隊以清晰度小於1.5 å的水平解析蛋白結構，捕捉到單個原子的位置。這些研究顯示在接近原子水平的清晰度解析複雜蛋白結構是可能的。越來越多的實驗科學家將AlphaFold2和冷凍電鏡視為相輔相成的工具，計算機模型能夠幫助冷凍電鏡的數據分析和重建，而冷凍電鏡能發現目前計算預測尚無法觸達的結構。科學家們希望未來能夠利用機器學習技術，輔助冷凍電鏡解析蛋白與其它分子相互作用時的構象變化，以及它們在冷凍細胞切片中的自然行為。量子計算機通過稱為量子比特（qubits）的單元來處理數據，一個經典的二進制位只能表示一個單獨的二進制值，例如0或1，這意味着它只能處於兩種可能的狀態之一。然而，一個量子比特可以表示一個0、一個1，或者0和1這兩種狀態組合的任意疊加，可能是一個0和一個1。由於它具有獨特的物理特性，量子計算機具有超強的計算能力。近年來的技術進展在迅速改善量子比特硬件穩定性和功能的同時，將量子計算機包含的量子比特數目從幾十個提高到上百個。目前這一領域的先驅們已經成立公司，開發基於量子計算機的模擬器。業界人士估計量子模擬器有望在未來一兩年內商業化。韓國科學技術高等研究院的物理學家Jaewook Ahn教授將它比作萊特兄弟最初製造的飛機。「他們製造的第一架飛機在運輸方面沒有任何優勢。」他說，「然而它最終改變了世界！」大多數遺傳病需要對基因進行修正，哈佛大學的化學生物學家劉如謙博士和他的團隊已經開發出兩種能夠對基因組進行精準編輯的技術。利用CRISPR精準靶向基因組中特定序列的特徵，同時限制Cas9對DNA的切割，他們開發出能夠將胞嘧啶（C）轉換為胸腺嘧啶（T），或腺嘌呤（A）轉換為鳥嘌呤（G）的單鹼基編輯器。新一代的先導編輯（prime editing）不但能夠將任何鹼基轉換成其它類型的鹼基，還能在基因組中精準插入DNA序列。先導編輯系統不但能進行任何鹼基之間的轉換，而且可以插入或刪除特定的DNA序列（圖片來源：Prime Medicine公司官網）鹼基編輯（base editing）技術在2016年首次出現，同樣由劉如謙團隊開發，如今基於這一技術的在研療法即將步入臨床開發階段。劉如謙聯合創建的Beam Therapeutics在去年11月獲得美國FDA的准許，將啟動臨床試驗，評估其鹼基編輯療法BEAM-101治療鐮刀型細胞貧血症患者的療效和安全性。先導編輯雖然仍然在發展初期，但是具有更高性能的迭代系統不斷湧現。劉如謙團隊最新的先導編輯版本能夠將插入DNA的長度提高到數千個鹼基對，相當於一條完整基因的長度。劉如謙博士表示，這可能提供一種更安全，更緊密調控的基因療法策略。目前，先導編輯的效率仍然不是很高，不過劉如謙博士指出，「在有些情況下，我們知道如果只替換10%，甚至1%的基因，你就可以逆轉疾病。」詳情：融資超3億美元後，劉如謙推出先導編輯2.0：讓複雜遺傳病的治療成為可能基於核苷酸的藥物雖然開始在臨床應用中嶄露頭角，但是它們的應用仍然受到可觸達的組織的限制。大多數療法需要局部使用或在體外改造從患者身體中獲得的細胞，然後將它們移植回患者體內。一個突出的例外是肝臟，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。近年來，研究人員在特異性向肝臟外組織遞送藥物方面穩步前進。腺相關病毒（AAV）是很多基因療法選擇的遞送工具。動物研究已經顯示，通過理性選擇合適的病毒載體，與組織特異性啟動子相結合，可以靶向特定器官遞送有效療法。不過，病毒有時難以大量生產，並且可能激發降低療效或產生副作用的免疫反應。脂質納米顆粒提供了一種非病毒的替代遞送方式。過去幾年中，多項發表的研究顯示它具有組織特異性遞送的潛力。比如，得克薩斯大學西南醫學中心的生物化學家Daniel Siegwart博士和他的同事開發出一種策略， 能迅速生成和大規模篩選將藥物有效遞送到特定組織的脂質納米顆粒。他們發表的研究顯示，如果你系統性地對脂質納米顆粒進行篩選，並且改變它們的成分，你可以改變它們在生物體內的分布。
脂質納米顆粒結構示意圖（圖片來源：參考資料[3]）
Beam Therapeutics和Intellia Therapeutics都在臨床前研究中證明特定脂質納米顆粒可以將藥物遞送到骨髓的血細胞和免疫細胞前體中。成功靶向這些組織可以讓患者避免接受與目前體外基因療法相關的複雜流程，其中包括在移植前需要使用化療來殺死已有的骨髓細胞。
單細胞組學的爆發讓研究人員現在能夠從單個細胞中獲得遺傳學、轉錄組、表觀遺傳學和蛋白組學洞見。然而，單細胞技術將這些細胞從它們的自然環境中分離出來，也造成了關鍵性信息的丟失。
2016年，KTH瑞典皇家理工學院Joakim Lundeberg博士率領的團隊開發出解決這一難題的辦法。研究團隊設計了表面上覆蓋着帶有條形碼寡核苷酸的載玻片，它們可以與組織切片中的mRNA結合，根據條形碼，可以追蹤確定每條mRNA在組織中的位置。
空間轉錄組學領域因此出現了大爆發，多款商業化系統現在可以讓研究人員以更高的空間分辨率，更深度地描繪基因表達圖譜。
如今，研究人員正在他們的空間地圖上添加更多組學信息。比如，耶魯大學的生物醫學工程師Rong Fan開發了名為DBiT-seq的技術平台。它利用微流控系統，可以在識別上千種mRNA的同時，利用寡核苷酸偶聯的抗體標記上百種蛋白。與單一的轉錄子組數據相比，它能夠為細胞的基因表達如何影響蛋白生成提供更為精準的評估。有些商業化系統已經能夠在處理轉錄組學信息的同時，捕捉到多種蛋白的空間數據。
同時，Lundeberg博士的團隊進一步優化了空間轉錄組學手段，讓它能夠同時捕捉到DNA測序數據。這讓他的團隊能夠開始描繪腫瘤發生過程中的事件。
Fan博士的團隊已經展示可以在組織樣本中描繪染色質修飾圖譜的能力，這能夠揭示細胞基因調控的全景。他表示這一技術可以與RNA和蛋白的空間分析聯合使用。「我們的初步結果表明這是完全可以實現的。」他說。
CRISPR-Cas系統精準切割特定核苷酸序列的能力源於細菌針對病毒感染的「免疫系統」。這一聯繫讓科學家們試圖將它用於病毒診斷。不同Cas酶的特徵不一樣，Cas9主要用於基於CRISPR的基因組修改，而基於CRISPR的診斷檢測主要使用在2016年由張鋒博士團隊發現的Cas13。在RNA的指導下，Cas13不但能夠切割靶點序列，還能夠切割任何周圍的RNA分子。很多基於Cas13的診斷檢測使用一種報告RNA分子，它將一個熒光分子與一個抑制熒光信號的猝滅劑連接在一起。如果Cas13通過識別病毒RNA被激活，它會切斷報告RNA，讓熒光分子與猝滅劑分離，從而發出熒光信號。
利用CRISPR-Cas系統進行分子檢測的原理（圖片來源：參考資料[4]）
去年，張鋒團隊和諾獎得主Jennifer Doudna團隊都基於這一系統開發出發現新冠病毒的分子診斷。Broad研究所Pardis Sabeti團隊已經開發出能夠一次性檢測169種人類病毒的CRISPR檢測工具。
其它Cas酶可能為診斷工具箱添加更多工具，比如Cas12酶具有和Cas13類似的特徵，但它可以靶向DNA，而不是RNA。綜合起來，這些Cas酶可以檢測更廣泛的病原體，甚至可以有效診斷其它非傳染性疾病。如果能相對快速地做到這一點，那將非常有用，特別是當不同的癌症亞型由特定的突變定義時。
詳情：張鋒發表NEJM論文，發布升級版SHERLOCK系統，加速新冠檢測
1.Seven technologies to watch in 2022. Retrieved January 27, 2022, from https://www.nature.com/articles/d41586-022-00163-x2.Beam Therapeutics Provides Business and Pipeline Updates and Reports Third Quarter 2021 Financial Results. Retrieved January 27, 2022, from https://investors.beamtx.com/news-releases/news-release-details/beam-therapeutics-provides-business-and-pipeline-updates-and-03.Aldosari et al., (2021). Lipid Nanoparticles as Delivery Systems for RNA-Based Vaccines. Pharmaceutics, https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13020206.4.Fozouni et al., Direct detection of SARS-CoV-2 using CRISPR-Cas13a and a mobile phone. medRxiv, doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.28.20201947
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