1.完全基因組
在去年5月發(fā)表的預(yù)印本中，人類共有基因組序列 GRCh38 添加了近 2 億個新堿基對兆衅，并撰寫了人類基因組的最后一章地沮。
GRCh38 于 2013 年首次發(fā)布，一直是一個有價值的工具羡亩，但也存在漏洞摩疑。主要是因為測序技術(shù)產(chǎn)生的讀數(shù)準(zhǔn)確但較短。它們的長度不足以明確地繪制出高度重復(fù)的基因組序列畏铆，包括覆蓋染色體末端的端粒和在細(xì)胞分裂過程中協(xié)調(diào)新復(fù)制的 DNA 分配的著絲粒雷袋。
長讀長測序技術(shù)可以在一次讀取中對數(shù)萬甚至數(shù)十萬個堿基進(jìn)行測序，這項技術(shù)剛開始興起時辞居，測序有時會存在錯誤
楷怒。但當(dāng)T2T 團(tuán)隊在 2020 年重建他們的第一條個體染色體（X 和
8）時蛋勺，測序已經(jīng)發(fā)展到可以檢測到長段重復(fù)序列中的微小變化的程度。這些微妙的“指紋”使長的重復(fù)染色體片段易于處理鸠删，基因組的其余部分很快就排成一行抱完。?
ONT 平臺還捕獲了許多調(diào)節(jié)基因表達(dá)的 DNA 修飾，T2T 也能夠在全基因組范圍內(nèi)繪制這些“表觀遺傳標(biāo)簽”冶共。
2. 蛋白結(jié)構(gòu)確定方案
過去兩年的重大實驗和計算進(jìn)步為研究人員提供了互補(bǔ)的工具乾蛤，以前所未有的速度和分辨率確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
AlphaFold2
結(jié)構(gòu)預(yù)測算法依靠“深度學(xué)習(xí)”策略從其氨基酸序列中推斷折疊蛋白質(zhì)的形狀捅僵。如今家卖，AlphaFold2已應(yīng)用于蛋白質(zhì)組，以確定在人類 6 和 20
種模式生物中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及近 440,000 種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)庙楚。Prot
數(shù)據(jù)庫上荡，大大增加了可用高置信度建模數(shù)據(jù)的蛋白質(zhì)數(shù)量。AlphaFold2算法也證明了它處理多鏈蛋白質(zhì)復(fù)合物的能力馒闷。
與此同時酪捡，低溫電子顯微鏡
(cryo-EM)
的改進(jìn)使研究人員能夠通過實驗解決更復(fù)雜的蛋白質(zhì)和復(fù)合物。Cryo-EM使用電子束掃描快速冷凍的分子纳账，生成多個方向的蛋白質(zhì)圖像逛薇，然后可以通過計算重新組裝成
3D 結(jié)構(gòu)。2020年疏虫，cryo-EM 硬件和軟件的改進(jìn)使兩個團(tuán)隊能夠生成分辨率低于 1.5 埃的結(jié)構(gòu)永罚，捕獲單個原子的位置
8,9。但這些研究表明卧秘，近原子分辨率對于其他更困難的目標(biāo)也是可行的呢袱。
3. 量子模擬
量子計算機(jī)以量子比特的形式管理數(shù)據(jù)。使用稱為糾纏的量子物理現(xiàn)象耦合在一起翅敌，量子位可以在一定距離內(nèi)相互影響羞福。相對于經(jīng)典計算機(jī)中同等數(shù)量的比特，這些量子比特可以極大地提高計算能力蚯涮，而這可以通過給定的量子比特分配來實現(xiàn)治专。
研究小組已經(jīng)成功地將單個離子用作量子比特，但它們的電荷使它們難以以高密度組裝遭顶。使用光學(xué)鑷子將不帶電的原子精確定位在緊密排列的
2D 和 3D 陣列中看靠，然后應(yīng)用激光將這些粒子激發(fā)成大直徑的“里德堡原子”，并與它們的鄰居糾纏在一起液肌。?
“里德堡原子系統(tǒng)是單獨(dú)可控的，它們的相互作用可以打開和關(guān)閉鸥滨。
4. 精確的基因組操作
大多數(shù)遺傳疾病的治療需要的是基因校正而不是破壞嗦哆，需要利用CRISPR
的精確定位谤祖，同時限制Cas9在該位點切割 DNA的能力。第一種稱為堿基編輯老速，它將催化受損形式的 Cas9
與一種酶結(jié)合粥喜，這種酶有助于一種核苷酸化學(xué)轉(zhuǎn)化為另一種核苷酸——例如，胞嘧啶轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶或腺嘌呤轉(zhuǎn)化為鳥嘌呤橘券。但目前只能使用此方法做某些基礎(chǔ)到基礎(chǔ)的更改额湘。將
Cas9 與一種稱為逆轉(zhuǎn)錄酶的酶結(jié)合起來，并使用一種經(jīng)過修飾的引導(dǎo) RNA旁舰，對基因組序列編輯锋华。通過多階段生化過程，這些成分將引導(dǎo) RNA
復(fù)制到 DNA 中箭窜，最終取代目標(biāo)基因組序列毯焕。堿基編輯和原始編輯都只切割一條 DNA 鏈，這對細(xì)胞來說是一種更安全且破壞性更小的過程磺樱。
5. 靶向基因治療
基于核酸的藥物可能會在臨床上產(chǎn)生影響纳猫，但它們在可以應(yīng)用的組織方面仍然受到很大限制。
腺相關(guān)病毒是許多基因治療工作的首選載體竹捉，動物研究表明芜辕，仔細(xì)選擇合適的病毒與組織特異性基因啟動子相結(jié)合，可以實現(xiàn)有效的的遞送块差。然而侵续，病毒有時難以大規(guī)模生產(chǎn)，并且會引發(fā)免疫反應(yīng)憾儒，從而破壞療效或產(chǎn)生不良反應(yīng)询兴。
脂質(zhì)納米顆粒提供了一種非病毒替代品，過去幾年發(fā)表的幾項研究強(qiáng)調(diào)了調(diào)整其特異性的潛力起趾。如果對脂質(zhì)納米顆粒進(jìn)行系統(tǒng)篩選并開始改變它們的組成诗舰，可以改變生物分布。
6. 空間多組學(xué)
單細(xì)胞組學(xué)發(fā)展的爆炸式增長意味著研究人員現(xiàn)在可以常規(guī)地從單個細(xì)胞中獲得遺傳训裆、轉(zhuǎn)錄組眶根、表觀遺傳和蛋白質(zhì)組學(xué)的見解——有時是同時進(jìn)行的。但是單細(xì)胞技術(shù)也通過將這些細(xì)胞從其原生環(huán)境中剝離出來而丟失了關(guān)鍵信息边琉。
2016 年属百，研究人員用帶有條形碼的寡核苷酸（RNA或DNA的短鏈）的載玻片，可以從完整的組織切片中捕獲信使RNA变姨，這樣每個轉(zhuǎn)錄本就可以根據(jù)其條形碼被分配到樣本中的特定位置族扰。空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域從此爆發(fā)。
現(xiàn)在渔呵，研究人員正在他們的空間地圖之上進(jìn)一步分層“組學(xué)見解”怒竿。DBiT-seq16
平臺采用了一種微流體系統(tǒng)，可以同時為數(shù)千個 mRNA
轉(zhuǎn)錄物和數(shù)百個用寡核苷酸標(biāo)記的抗體標(biāo)記的蛋白質(zhì)生成條形碼扩氢，與僅從轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中獲得的數(shù)據(jù)相比耕驰，這可以更準(zhǔn)確地評估細(xì)胞基因表達(dá)如何影響蛋白質(zhì)的產(chǎn)生和活性。
7. 基于 CRISPR 的診斷
CRISPR-Cas
系統(tǒng)精確切割特定核酸序列的能力源于其作為抵抗病毒感染的細(xì)菌“免疫系統(tǒng)”的作用录豺。但并非所有的 Cas 酶都是一樣的朦肘。Cas9 是基于
CRISPR 的基因組操作的首選酶，但實際上双饥，CRISPR診斷工作中使用更多的是Cas13媒抠。Cas13 使用其 RNA 向?qū)ㄟ^堿基配對識別
RNA 靶標(biāo)，并激活核糖核酸酶活性兢哭，可通過使用報告 RNA 將其用作診斷工具领舰。許多基于 Cas13
的診斷方法使用一種報告RNA，該RNA將熒光標(biāo)簽連接到抑制熒光的猝滅劑分子上迟螺。當(dāng) Cas13 在識別病毒 RNA
后被激活時冲秽，它會切割報告基因并從猝滅劑中釋放熒光標(biāo)簽，從而產(chǎn)生可檢測的信號矩父。一些病毒留下了足夠強(qiáng)的“信號”锉桑，可以在不放大的情況下進(jìn)行檢測，從而簡化了即時診斷窍株。
現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出基于 CRISPR 的工具民轴，可以同時檢測超過 169 種人類病毒。其他 Cas 酶可以充實診斷工具箱球订，包括 Cas12 蛋白后裸，它們表現(xiàn)出與 Cas13 相似的特性，但靶向的是 DNA 而不是 RNA冒滩∥⑹唬總的來說，這些可以檢測更廣泛的病原體开睡，甚至可以有效診斷其他非傳染性疾病因苹。
參考文獻(xiàn)：Nature technology feature "Seven technologies to watch in 2022"
