15年前，對(duì)人類基因組進(jìn)行測(cè)序需要花費(fèi)大約30億美元，而今只需數(shù)千美元。科技發(fā)展日新月異，新的一年又會(huì)有哪些令人期待的突破?英國(guó)《自然》雜志近日采訪了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的專家，為人們梳理出有望改變2018年生命科學(xué)研究面貌的技術(shù)和課題，其中包括為轉(zhuǎn)錄組繪圖、促進(jìn)癌癥疫苗研發(fā)、建立科學(xué)物聯(lián)網(wǎng)等。
為轉(zhuǎn)錄組繪圖
全球性的人類細(xì)胞圖譜(HCA)計(jì)劃旨在確定人體內(nèi)所有細(xì)胞類型并繪制其空間組織，而完成此項(xiàng)目需要很多輔助技術(shù)。
單細(xì)胞RNA測(cè)序是識(shí)別不同細(xì)胞類型的有效方法，也是創(chuàng)建HCA的重要工具，這一方法需要將組織分離成單個(gè)細(xì)胞，然后隔離出RNA，但這樣做無(wú)法保留細(xì)胞在組織中的空間環(huán)境，即它們是如何組織以及相互作用的。
哈佛大學(xué)先進(jìn)成像中心主任莊小威說(shuō)，因此需要一種技術(shù)，可以對(duì)完整組織中細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組(細(xì)胞內(nèi)所有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的集合，包括信使RNA、核糖體RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA等)成像，從而提供這種空間背景。他的實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)多重抗誤差熒光原位雜交技術(shù)(MERFISH)，這是一種基于圖像的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法，能對(duì)單細(xì)胞中1000個(gè)不同的信使RNA(mRNA)成像，然后通過(guò)細(xì)胞的基因表達(dá)圖譜對(duì)其分類，并繪制出其空間組織。隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，MERFISH有潛力檢測(cè)完整組織細(xì)胞中的全部轉(zhuǎn)錄組。
促進(jìn)癌癥疫苗研發(fā)
在癌癥免疫基因組學(xué)領(lǐng)域，研究人員想知道，哪些由癌癥基因組編碼的突變蛋白——新抗原能在個(gè)體中引發(fā)免疫應(yīng)答，并基于此開(kāi)發(fā)個(gè)性化癌癥疫苗或其他療法。質(zhì)譜流式細(xì)胞技術(shù)(CyTOF)可用于研究這些新抗原。
全美兒童醫(yī)院聯(lián)合基因組醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)伊蘭·馬蒂斯說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)能確定癌細(xì)胞產(chǎn)生最多、且對(duì)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)的新抗原是哪種，然后用這些信息創(chuàng)建個(gè)性化的抗癌疫苗，這些疫苗與新型抗癌藥物結(jié)合使用，有望使患者最終擺脫疾病困擾。
CyTOF不僅對(duì)癌癥基因組學(xué)有用，還可用于追蹤由細(xì)胞產(chǎn)生的任何蛋白的豐度和組成，使我們能更多維、更精確地了解蛋白質(zhì)。
擴(kuò)展基因組序列分析
2000年，一種全新的激素——促性腺激素抑制激素(GnIH)被發(fā)現(xiàn)。研究表明，當(dāng)動(dòng)物遭受壓力時(shí)，這種激素會(huì)抑制生殖軸。對(duì)GnIH的研究正在徹底改變我們對(duì)大腦調(diào)控生殖的理解。
今天，得益于高通量DNA測(cè)序技術(shù)，基因組測(cè)序的價(jià)格在不斷下降。加州大學(xué)戴維斯分校生殖生物學(xué)家瑞貝卡·卡利斯·洛迪古斯說(shuō)，這使科學(xué)家能研究那些在實(shí)驗(yàn)室通常不被研究的動(dòng)物，獲得更多與生殖有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如，他們最近使用RNA測(cè)序來(lái)更深入地了解普通鴿的生殖軸如何對(duì)壓力作出反應(yīng)。慢性壓力會(huì)影響生殖，他們希望借此具體了解這一點(diǎn)。
同時(shí)，他們也在研究在生殖軸——大腦中的下丘腦、腦下垂體和生殖腺上轉(zhuǎn)錄活躍的每一個(gè)基因，得到的龐大的數(shù)據(jù)集產(chǎn)生了數(shù)百個(gè)假設(shè)，有助于進(jìn)一步理解壓力對(duì)生殖機(jī)制的影響，從而為數(shù)百萬(wàn)有生育問(wèn)題的人提供基因干預(yù)或治療。
建立科學(xué)物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)是智能傳感器和執(zhí)行器的集群，這些分布式的智能設(shè)備正在改變我們的生活，也有望改變科研的面貌。
研究人員已開(kāi)始在分布式科學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(IoST)上開(kāi)展合作。IoST是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，將分布式傳感器和執(zhí)行器連接到強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，從而促進(jìn)全球性實(shí)驗(yàn)。
即使是該系統(tǒng)的簡(jiǎn)化版，也有巨大作用。谷歌發(fā)現(xiàn)，其智能手機(jī)可從手機(jī)加速計(jì)和陀螺儀檢測(cè)到的步態(tài)變化中發(fā)現(xiàn)帕金森病早期癥狀。加州大學(xué)伯克利分校理論神經(jīng)科學(xué)家薇薇安·明也說(shuō)，使用智能手機(jī)傳感器，她的團(tuán)隊(duì)能預(yù)測(cè)雙相情感障礙患者的躁狂發(fā)作。但現(xiàn)在，很多科學(xué)家無(wú)法獲得這種實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
試想一下，如果研究人員能訪問(wèn)運(yùn)行IoST應(yīng)用的智能手機(jī)、智能手表和世界各地實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù);AI系統(tǒng)可挖掘你所在領(lǐng)域已發(fā)布研究和數(shù)據(jù)，等等，將會(huì)給科學(xué)研究帶來(lái)多大突破?
當(dāng)然，這些大規(guī)模分布式系統(tǒng)存在一些可怕的因素，如某些組織是否會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行限制性控制?新平臺(tái)的研究成果通過(guò)傳統(tǒng)科學(xué)出版商，還是arXiv這樣的開(kāi)放獲取平臺(tái)提供?
雖然獲取渠道和倫理問(wèn)題必須解決，但轉(zhuǎn)型更加迫切。有些實(shí)驗(yàn)室和研究人員已在充分利用這些可能性。建立這些系統(tǒng)，有望使出版更平等、數(shù)據(jù)可共享、科學(xué)更透明。
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