盘点NatureMethods2016年

2019-08-15 19:57:21 来源: 汕头信息港

  医学杂志《Nature Methods》新年期盘点了2015年度技术,选出了受关注的技术成果:单粒子低温电子显微镜(cryo-EM)技术。 除此之外,杂志也整理出了2016年值得关注的八项技术,分别为:细胞内蛋白标记(Protein labeling in cells)、细胞核结构(Unraveling nuclear architecture)、动态蛋白质结构(Protein structure through time)、光遗传学(Precision optogenetics)、高度多重化成像(Highly multiplexed imaging)、深度学习(Deep learning)、亚细胞结构图谱(Subcellular maps)和综合单细胞图谱(Integrated single-cell profiles)。

  新蛋白标记

  荧光化学染料相对较小,具有很好的光物理性质和光谱跨度。这些特性使荧光染料特别有吸引力,有望替代荧光蛋白进行蛋白标记。研究者们正在积极开发相应的工具,在活细胞中用染料标记目的蛋白。

  对于绝大多数应用来说,荧光染料需要能够实现特异性的标记。现在已经有一些工具能做到这一点,比如SNAP和Halo标签、FlAsH和ReAsH、和hexahistidine标签。这些工具主要使用能特异性结合相应染料的小蛋白或多肽,对靶蛋白进行标记。还有一种方法是在蛋白翻译过程中掺入非天然氨基酸,这些非天然氨基酸本身就发荧光,或者可以通过点击化学(click chemistry)发出荧光。

  虽然这些方法越来越受欢迎,但它们也遇到了一些问题。举例来说,荧光染料在多重成像中用处有限,能跨越活细胞膜的染料标记效率低、数量少、质量差。这类染料的开发目前是一个相当活跃的研究领域。毫无疑问,未来人们将大大增强荧光染料的标记效率,这会进一步提高定量成像的能力。可用染料将得到显着改进,这会增加多重化,减少成像所需的光。全新的蛋白标记方法也将出现在人们眼前。

  特异性蛋白标记有助于在固定细胞和活细胞中进行超高分辨率成像。当分辨率接近几十纳米的时候,标记造成的问题就会凸现出来。举例来说,用抗体进行标记会使目标结构增加约10nm,而二抗会进一步增大检测目标。为了解决这一问题,不少研究者正在开发纳米抗体(nanobodies)。纳米抗体是来自骆驼的小抗体片段,是人们用基因工程方法克隆骆驼重链抗体可变区得到的单域抗体。与传统IgG抗体相比,纳米抗体具有分子质量小、容易生产、稳定性好、抗原结合力高等特点。

  我们相信,新的一年会有更多更好的蛋白标记策略涌现出来,让显微成像登上一个新的台阶。

  细胞核结构

  位置高于一切 是房地产的金科玉律,这句话也同样适应于哺乳动物基因组。基因调控依赖于染色质及其调控元件在细胞核内的三维组织形式。染色质构象捕获的经典方法( C),让我们对染色质的复杂结构有了惊鸿一瞥。但要在高分辨率和高通量水平上成像 D染色质结构的动态,我们还需要新的方法。这些方法将帮助我们真正理解基因组的组织形式,这种形式随时间推移的演化,及其对疾病的推动作用。

  C衍生技术主要是将相互作用的染色质位点交联起来,然后再进行扩增和测序。这种技术的通量受到了限制,而且对顺式互作有偏好。的技术改良包括两个连续的捕获步骤,不仅大大提高了通量和分辨率,还能实现弱互作和强互作的相对定量,阐明它们各自的生物学作用。(Nat. Methods 1 , 74 80, 2016)要想全面把握细胞核结构的动态,把群体数据与单细胞数据结合起来是很重要的。这就需要覆盖基因组学、生物物理学和显微成像的综合性方法。美国NIH近资助的4D细胞核组学计划(4D Nucleome Program)就是一种这样的尝试,该计划希望结合多方面力量获得基因组结构图谱,在高分辨率水平上成像和研究亚细胞核区域。研究者们正在进一步改良实验和计算方法,以适应单细胞的核组分析。

  一旦细胞核结构分析成为更为常规的定量程序,我们将能更好的预测突变(不论是与疾病有关的突变还是在基因组时引入的突变)对基因调控的影响,以及突变的作用机制。我们甚至能特异性改变基因组结构,给细胞带来我们想要的改变。

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