2015成像、光遺傳學、單細胞分析、CRISIPR技術突破

　　12月24日，The Scientist評選出了“Top Technical Advances 2015”，成像、光遺傳(chuan) 學、單細胞分析以及基因編輯技術CRISIPR入選。那麽(me) ，我們(men) 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(men) 通過顯微鏡學方法越來越深入的觀察到了生命組織。

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

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

　　該研究的通訊作者 Ji-Xin Cheng 說：“我們(men) 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(men) 能夠在幾十微妙內(nei) 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。”

　　同一個(ge) 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(men) 能夠更加清晰、全麵的觀察活體(ti) 動物的生物過程。

　　這款顯微鏡能夠產(chan) 生完整的、不透明生物體(ti) 的圖像，包括斑馬魚或果蠅的胚胎，在三個(ge) 維度都有足夠的分辨率，每個(ge) 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係統發育的過程，zui終共有10,000個(ge) 細胞。

　　光遺傳(chuan) 學

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

　　本月前，在芝加哥舉(ju) 行的神經科學學會(hui) 會(hui) 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(hui) 發出紅外線。Cohen與(yu) Boyden一起，將電壓指示器與(yu) 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(men) 的活動。

　　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(yu) 先前開發的工程通道相比，它能夠更快地抑製神經元活動。科學家們(men) 還開發出了一種對在光遺傳(chuan) 學控製下神經元作出即時反饋的方法，維持它們(men) 的活性在一個(ge) 理想的狀態。這一“神經恒溫器”（neuro thermostat）可在24小時內(nei) 控製細胞的firing rate常數。

　　單細胞分析

　　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。今年，通過單細胞分析，科學家們(men) 鑒定出了一個(ge) 新的細菌們(men) ，檢測了小鼠腸道內(nei) zui珍貴的細胞類型。5月，發表在《細胞》雜誌上的兩(liang) 項研究使單細胞轉錄組學有了一個(ge) 相當大的飛躍，並行檢測的細胞數量從(cong) 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(jia) 地賦予每個(ge) 細胞*的遺傳(chuan) 條形碼。研究小組希望他們(men) 的技術將能夠幫助生物學家們(men) 更深入地發現和分類機體(ti) 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(guan) 疾病遺傳(chuan) 學的認識。

　　兩(liang) 個(ge) 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(chuan) 送到幾十萬(wan) 納米大小的液滴中。兩(liang) 種方法都利用了微流體(ti) 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(ge) 小型裝配線上生成，沿著一根頭發寬的槽道流動。微珠條形碼附著到每個(ge) 細胞的一些基因上，因此科學家們(men) 可以一批次測序所有的基因，追蹤每個(ge) 基因的來源細胞。

　　CRISPR

　　我們(men) 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(zhuan) 注於(yu) 改進這一技術。

　　6月15日，發表在《Nature Biotechnology》上的一項研究中，科學家們(men) 結合CRISPR與(yu) 光遺傳(chuan) 學構建出了一種係統：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製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(liang) 個(ge) 失活的片段構建出了paCas9。隨後他們(men) 讓每個(ge) 片段連接一個(ge) 光控開關(guan) 蛋白Magnet。當受到藍光照射時，兩(liang) 個(ge) 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(hui) 再度分裂，核酸酶活性終止。

　　Cas9酶是基因編輯係統中一個(ge) 非常關(guan) 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(ge) 新版本的Cas9酶大大降低了CRISPR/Cas9係統的脫靶效應；有效改善了這一技術的zui大局限性之一。

　　4月1日，發表在《自然》雜誌上的一項研究中，張鋒研究小組還鑒別出了一種更小的Cas9核酸酶版本。zui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(ti) 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(cong) 而為(wei) 腺病毒的包裝問題提供了一個(ge) 解決(jue) 方案。並未參與(yu) 這項研究的杜克大學的 Charles Gersbach 說：“真正讓人興(xing) 奮的是saCas9在體(ti) 內(nei) 真的能發揮作用。”

　　同月6日，Gersbach和同事們(men) 也在《Nature Biotechnology》發表了他們(men) 的研究成果。研究人員結合一種組蛋白乙酰轉移酶與(yu) Cas9構建出了一種表觀遺傳(chuan) 編輯器。他們(men) 破壞了Cas9切割DNA的能力，轉而利用它作為(wei) 一種自動引導裝置到達基因組中的正確位點，並通過組蛋白乙酰化來啟動基因。

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