看看已经迅速兴起的著名研究工具和项目，可以发现一些常见的成功途径。

当被要求描述他的专长时，Kaihang Wang会很直接地回答“勤杂工”。毕竟，他在帕萨迪纳加州理工学院（California Institute of Technology）的大部分工作都涉及建造东西，尽管不是用锤子和钉子。Wang和他的团队开发了分子工具，包括一个生物学家可以通过编程将一条长的、合成的 DNA 链引入细菌细胞中的系统。经过进一步思考，Wang 提供了更科学的替代方案：合成生物学或基因组工程。他表示，他们所有的努力从根本上都是由创造生物的目标驱动的。

像王一样，当手头的工具不足时，许多生物学家会跨学科寻找材料、合作者或不同的方法。这可能导致需要新定义的方法或联盟，例如“扩展显微镜”或“人类基因组编写计划”（Genome Project-write）。其中一些由于强大的技术能力和好名字在科学家中引起轰动。

在柯林斯堡的科罗拉多州立大学（Colorado State University）研究科学修辞学的 Erika Szymanski 指出，为一个领域或工具创造一个吸引人的名字可以创建一个概念基础设施，研究人员可以用它来构建调查框架。就像显微镜的限制决定了你能用它看到什么一样，我们只会关注那些名字听起来有趣的东西。有时，尝试以一种新的框架来思考我们所做的工作是富有成效的，因为它为想象新的可能性开辟了空间。

本文中，Nature 探索了过去 15 年中 5 项值得注意的技术。有些已经单独开辟了一个新的研究领域，或得到了大量资金资助；其他则加强了全球合作，或者在远离最初目标的研究中找到了新的目标。但这5项技术都是重要的科学突破，它们要么揭示了细胞功能，催生了公司和疗法，要么在大流行期间为公共卫生政策提供了信息。

表观转录组学

与基因组 DNA 一样，信使 RNA 可以携带改变其功能或命运的化学标签，例如甲基或糖基团。这种修饰并不统一，并且发现某些 mRNA 高度甲基化，而其它 mRNA 则似乎不受这些化学标签的影响。2012 年，纽约市威尔康奈尔医学院（Weill Cornell Medical College）的 RNA 生物学家 Samie Jaffrey 等人开发了一种方法来识别特定的、普遍存在于转录组（细胞或生物体中的完整 RNA）中的 mRNA 甲基化标记，命名为 m6A。

该研究的合著者Christopher Mason 创造了表观转录组学这一术语来解释该团队的假设，即甲基标签调节 mRNA 转录本的活性，从而表明为什么蛋白质水平并不总是与编码它们的转录本的丰度相匹配。Jaffrey认为，这可能是另一层面的遗传密码的想法非常吸引人。新名称使其他人更容易掌握这个概念。

多年来，表观转录组学已经发展为一个独立的领域，有专门的资金、会议和合作。西班牙巴塞罗那基因组调控中心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的 RNA 生物学家 Eva Maria Novoa Pardo 指出，在某些方面，创造一个新词就等于创造了一个新的科研社区。

Jaffrey 和 Mason 的原始方法使用 m6A 抗体来分离长度为 100-200 个核苷酸的修饰 RNA 片段，然后他们通过测序对其进行鉴定。后来，该团队将抗体与底物交联，然后沉淀抗体结合的 RNA 片段以精确定位甲基化位点，从而生成第一个甲基化 mRNA 的单核苷酸水平图谱。这有助于识别另一类携带修饰的分子（名为小核仁 RNA）。Jaffrey 提到，他们现在开始认同一个想法：m6A 的一个主要功能是标记 RNA 以实现快速周转，这对于细胞做出调整和响应环境的能力至关重要。

随后的技术发展利用了可以在特定序列上切割非甲基化 RNA 的酶。该工具允许其开发者、以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的 RNA 生物学家 Schraga Schwartz 不仅检测特定位点是否被修改，还可以检测携带甲基化基序的转录本的百分比。当 Schwartz等人将其应用于整个转录组时，他们发现基于抗体的技术遗漏了近 75% 的修饰位点，这表明其敏感性有限。Schwartz 表示，看到这个结果真是一个很大的惊喜，拥有两种方法而不是一种方法可以让我们更全面地了解问题。

如今，表观转录组学研究人员可以使用纳米孔测序仪直接读取修饰的 RNA。与传统测序仪需要先通过逆转录将 RNA 转化为 DNA 不同，这些仪器使 RNA 分子通过蛋白质纳米孔，产生独特的电流，然后解码以提供 RNA 序列。使用解码电流的测序算法解读甲基化的 m6A 核苷酸，经常会产生一些错误信息。因此，在 2019 年，Novoa 等人设计了一种算法（今年早些时候他们对这个方法进行了更新），使用这些错误信息来预测哪些位点携带甲基化核苷酸。Novoa 指出，对天然 RNA 进行测序的可能性——无需先将其逆转录成 DNA——开启了对转录组的完全公正的看法。

人类细胞图谱

2003 年人类基因组测序的完成，以及研究单细胞的新工具的出现，科学家们开始畅想：他们是否可以绘制每个人类细胞的独特位置、行为和发育图。英国欣克斯顿威康桑格研究所（ellcome Sanger Institute）的遗传学家Sarah Teichmann和现在在加利福尼亚州南旧金山基因泰克 (Genentech) 的计算生物学家 Aviv Regev 也在探索这种想法。

2016 年底，Teichmann、Regev 和其他人聚集在一起讨论这个想法。人类细胞图谱计划（Human Cell Atlas）因此诞生。这是一个使用单细胞方法绘制每个人类细胞、组织和器官的组织、遗传学和生物学的项目。该小组强调开放、协作的方法：任何人都可以参与，并且该联盟使用广泛的分子和计算方法收集信息。

在 CRG 研究单细胞测序技术并领导该联盟标准和技术工作组的 Holger Heyn表示，没有一种金标准技术能够实现所有目的。每种方法都有偏见。我们整合的技术越多，偏见就越少。

在 2020 年的一项研究中，Heyn 等人在一组常见的参考样本中比较了 13 种单细胞 RNA 测序技术，并根据它们发现细胞特异性标记物的能力来评价它们。他们发现，结果变化的一个主要来源是样本中细胞的大小。Heyn等人的目标不是找到赢家或输家，而是定义每种技术能够获取哪些信息。

人类细胞图谱联盟现在在 77 个国家/地区拥有近 2,200 名成员，他们总共分析了来自 14 个主要器官的约 3,900 万个细胞，并发表了近 80 篇出版物，而且这个数字还在不断增加。

这些数据有助于解开 COVID-19 的奥秘。2020 年初，联盟成员汇集了 26 个已发表和未发表的数据集，以了解冠状病毒 SARS-CoV-2 如何侵入肺组织。他们绘制了病毒用于进入组织（包括鼻子、嘴巴和眼睛等组织）的细胞表面受体图。此后，世界各地的研究人员使用该图谱来了解感染过程。Teichmann表示，它甚至有助于为公共卫生政策提供信息，例如要求人们戴口罩的政策。这场大流行对人类细胞图谱项目来说确实是变革性的，它向你展示了细胞图谱的价值——即使是早期的、不完整的。

扩展显微镜

尽管许多痴迷于显微镜分辨率的研究人员专注于构建更好的硬件，但神经科学家 Ed Boyden 采取了不同的策略。他与剑桥麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的同事一起设计了一种名为扩展显微镜（Expansion Microscopy）的技术，它可以像给气球充气一样放大细胞和组织。

该方法将一种称为丙烯酸酯的单体注入样品中。加水会导致单体聚合和膨胀，随着其膨胀，细胞成分被推开。在早期的尝试中，细胞破裂或膨胀不均匀。但是在聚合之前添加酶来软化组织使研究人员能够将小鼠脑组织扩大到原始大小的4.5 倍。两年后，该团队将该方法扩展到十几种组织类型，其中一些可以扩展 16 倍。Boyden指出，确保物理放大倍数正确缩放对于该技术至关重要。

今年，Boyden等人利用这个概念来定位组织中的特定 RNA，这是一个名为空间转录组学的子领域。他们首先扩展了小鼠脑组织的一部分，然后对嵌入的 RNA 进行了原位测序。

德国法兰克福马克斯普朗克脑研究所（Max Planck Institute for Brain Research）的神经科学家 Erin Schuman 研究蛋白质如何在名为突触的神经细胞连接处形成。长期以来他们一直依靠银染等间接方法来可视化这一过程。Schuman想直接在突触中看到新制造的蛋白质。但是突触是由长而细的纤维形成的，这些纤维被称为轴突，缺乏良好的分子标记。Schuman 提醒，它们实际上是最难以研究的事物之一。

使用扩展显微镜，Schuman等人第一次看到几乎所有的轴突末端都有合成新蛋白质的机制。 Schuman认为它确实帮助她们以高度可靠的方式分析突触，并进行高通量分析。

在加利福尼亚州斯坦福大学（Stanford University），生物工程师 Bo Wang 使用该工具创建了一张高分辨率图像，展示了常见肠道病原体沙门氏菌如何与人体细胞相互作用。在优化版的“软化”步骤时，Wang等人发现该方法可用于测量细菌细胞壁的硬度，这对于理解该细菌对抗生素的抗性和宿主防御至关重要。测量微型物体的机械特性很困难，但扩展显微镜帮助团队测量了单个批次中数千个细胞壁的强度，以了解细菌如何对宿主防御机制做出反应。 Wang认为，类似的策略可以帮助解答植物、真菌和许多不同物种的生理问题。

将扩增显微镜与 RNA 测序相结合（左）揭示了小鼠视觉皮层中神经元的组织（右）。

脑虹

2007 年，由马萨诸塞州剑桥市哈佛大学神经科学家 Jeff Lichtman 和 Joshua Sanes 领导的团队开发出一种方法来区分小鼠大脑中缠结的神经元。研究人员构建了一个系统，其中编码荧光蛋白的基因由特定于神经元的调节序列控制，该序列两侧是标签，这些标签将引导重组酶对这些荧光基因进行重组。细胞转染这些荧光基因后，研究人员激活识别重组标签的蛋白质时，它会将基因改组为各种随机组合，表现为彩虹般的荧光。因此，这种工具被名为Brainbow（脑虹）。

作为纽约大学（New York University）的一名研究生，Gabriel Victora还记得当年看到那些万花筒般的大脑图片时受到的震撼——每个细胞都有不同的色调。但 Victora 的研究集中在生发中心、免疫细胞分裂和生长的淋巴结中的微观结构。现在纽约市洛克菲勒大学（Rockefeller University）的免疫学家 Victora 表示，他们没有立即想到使用这项技术，他记得当时在想，‘可惜那是在脑子内部’。

Lichtman 希望标记单个细胞的能力将有助于解决精细尺度的细节问题，例如大脑中的突触连接。但是小的细胞结构具有较少的荧光分子，产生的荧光信号亮度不够——通常太暗而无用。Lichtman 表示，他对这个结果很失望，因此从那以后转向了诸如连续切片扫描电子显微镜之类的技术。在这种技术中，一块组织被重复成像，剥开并再次成像以绘制神经连接图。你必须为这项工作找到合适的工具，在这种情况下，Brainbow 不够用。

Lichtman 确实使用 Brainbow 进行了周围神经系统的实验，其中细胞相距较远，因此甚至可以观察到微弱的荧光。其他团队已经为不同的生物调整了该工具——例如，用于果蝇大脑的 Flybow 和用于斑马鱼组织的 Zebrabow。将 Brainbow 与扩增显微镜相结合，研究人员可以检查哺乳动物组织中的细胞形状和连通性。

在一种名为Confetti 的小鼠模型上，将脑虹技术扩展到非神经元细胞的研究重新点燃了Vicora对 Brainbow 的兴趣。在淋巴结的生发中心内，B 细胞簇产生不同的抗体，并争相茁壮成长。大多数生发中心保持着抗体分子的多样性。但Victora 等人发现，在5-10%的这些结构中，能产生高亲和力抗体的细胞可以迅速胜过其它 B 细胞，并接管生发中心。使用 Brainbow 跟踪这些“克隆爆发”的研究人员在第一次标记细胞时看到生发中心的所有细胞都呈现不同的颜色。然后，当一个显性克隆接管时，它的后代——所有这些都与母细胞具有相同的颜色——将生发中心从彩色变为单色。Vicora表示，Brainbow 非常清楚地显示了这种 [B 细胞之间] 的分工。

Brainbow 标记的生发中心。

人类基因组编写计划

如果科学家能够制造出完整的合成染色体，他们就可以赋予细胞新的功能，更换致病的遗传途径或设计新的实验系统进行研究。但是合成染色体不能一次性构建。

2010 年，研究人员拼凑出第一个合成细菌基因组。他们将生物体的 DNA 改造成短链，将它们缝合在一起，然后一次交换一部分染色体，直到天然 DNA 完全被合成对应物取代。加州理工学院的Wang表示，自从第一次尝试以来，这个过程基本保持不变。尽管在细菌和酵母方面取得了显著进展，但该技术从未扩展到具有更复杂基因组的生物体。然后，在 2016 年，研究人员宣布了人类基因组编写计划（Genome Project-write），旨在合成复杂的基因组，包括人类的基因组。

由于资金和技术挑战（Nature 557, 16-17; 2018），该项目启动时雄心勃勃，后面却不得不缩小其目标，以专注于设计一种对病毒具有抗性的人类细胞系。但这种规模的 DNA 合成仍然是一个挑战，编码新功能的遗传回路的设计也是如此。麻省理工学院的合成生物学家Christopher Voigt表示，目前，此类工作在很大程度上仍局限于个人研究人员或小团队。如果大规模基因组合成变得可行，那么这个过程必须改变。他指出，这就像一个人建造一架飞机，从设计到将零件粘合在一起。这表明，我们距离从基因组水平上去设计点东西有多遥远。

Wang认为，尽管如此，这个崇高的目标仍然可以推动领域向前发展。生成全基因组的动机推动了技术的发展。这是一个循环：一旦我们有了工具，它就会使基因组合成更加现实，人们将更多资源投入该领域。

原文检索：
Jyoti Madhusoodanan. (2021) Five trendy technologies: where are they now? Nature, 594: 602-604. 
张洁/编译

自动化的高通量测序系统已经对生命科学研究产生了不可磨灭的影响。它们现在正准备革新分子诊断技术。

CRISPR和下一代测序技术正在革新从传染病到早期癌症检测的分子诊断，这门科学可能引领什么？

CRISPR基因编辑和下一代测序（next-generation sequencing, NGS）技术已经革新了临床和生命科学研究模式。CRISPR允许对特定的核苷酸序列进行有选择的靶向和编辑，其精确度和易操作程度在几年前是无法实现的。NGS可以实现高通量、精确且可负担的DNA或RNA测序。

这些技术共同促进了基础分子和细胞生物学以及疾病研究的众多进展，CRISPR的发现甚至为其背后的研究人员赢得了2020年的诺贝尔奖。它们也在帮助开发新的基因和癌症疗法，如CAR-T细胞。

虽然这些成就被广泛认可，但CRISPR和NGS对分子诊断的影响也可能同样深远。一些基于CRISPR和NGS的诊断方法已经进入临床，但正在开发的应用数量要多得多。这些诊断方法可以实现早期疾病检测、准确的疾病监测以及在众多领域的精准治疗中更灵活的管理。

正如早期的免疫吸附测定或荧光原位杂交一样，CRISPR和NGS为开发分子诊断的人提供了重要的机会。这门科学处于什么位置，它可能引领什么？

CRISPR作为一种诊断手段

2016年，美洲的寨卡（Zika）病毒爆发为第一个获批的CRISPR诊断创造了条件。此后，CRISPR诊断法被用于检测拉萨（Lassa）和埃博拉（Ebola）病毒，以及SARS-CoV-2。迄今为止，传染病的爆发推动了技术的发展。但任何需要对已知基因靶点有高选择性的环境，如肿瘤样本的分析、遗传性基因变体的鉴定或无创产前检测（non-invasive prenatal testing, NIPT），都可能是CRISPR诊断的候选对象。

CRISPR是最著名的基因编辑系统，其中Cas9蛋白经过设计与向导RNA配对，然后与靶DNA互补结合。当靶DNA被识别后，Cas9会在一个确定的位置剪切序列，允许基因删除或插入。

基于CRISPR的诊断背后的机制与基因编辑相似，因为它使用了一种经过设计的向导RNA。但它通常采用不同的Cas蛋白，即Cas 12、Cas 13和Cas 14。这些蛋白质可以被修饰，以便在靶核苷酸序列（DNA或RNA）存在的情况下产生荧光信号，使该系统适用于检测或成像。

虽然大多数研究人员都在开发他们自己的CRISPR诊断方法，但最近出现了两个商业平台来加速这一过程。SHERLOCK是由博得研究所（Broad Institute）的Feng Zhang小组开发的。而DETECTR则是由Jennifer Doudna与她在加州大学（University of California）伯克利分校的团队一起创建的（Doudna因发现CRISPR-Cas9而获得诺贝尔奖）。这两个平台都使用CRISPR提供快速体外鉴定靶序列的atto摩尔级别的灵敏度。

与任何分子诊断相同，CRISPR测试需要足够的靶DNA用于检测。因此，它们通常在检测之前依赖一个扩增步骤。这通常是通过聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）来完成的，聚合酶链反应是一种需要热循环仪扩增核苷酸序列的高保真方法。与真正的基于PCR的诊断方法不同，例如逆转录酶PCR（reverse transcriptase PCR, RT-PCR），CRISPR诊断也可以使用其它扩增方法，这是一个优势。

赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）的基因组编辑产品经理Matthew Poling表示，当开始考虑在临床医生的办公室或现场进行此操作时，他们没有热循环仪。为了使对于这些诊断方法进入以患者为中心的即时护理工作，LAMP正变得更有前景。

LAMP或称环介导的等温扩增（loop-mediated isothermal amplification）是一种新兴技术，可在恒定温度下扩增核苷酸序列。与PCR中用热分离双链DNA不同，LAMP需要一种DNA聚合酶（DNA polymerase），如EquiPhi29或BSM DNA聚合酶，来主动“解旋”和扩增双链DNA。该技术也可用于检测RNA序列。

除了CRISPR试剂，赛默飞世尔科技公司还提供各种LAMP聚合酶作为冻干兼容的酶。这些可冻干的酶不含甘油，在运输和储存时保持稳定，使它们更适合在现场或在医疗点使用。

使用CRISPR技术诊断癌症

肿瘤学是最大的一个可能受益于CRISPR诊断的临床领域。虽然现在还不可能走进医生的办公室并要求进行CRISPR测试，但研究人员正在进行这项工作。在一个原理验证的实验室中，科学家们使用SHERLOCK平台来检测已知的癌症突变。其他研究者正在采取不同的方法。

Harveer Dev是英国癌症研究中心剑桥中心（Cancer Research UK Cambridge Centre）早期检测项目（Early Detection Programme）的临床讲师和组长，目前正致力于分析和识别前列腺癌的普遍生物标志物。他正在开发一个名为ProCASP的基于CRISPR的平台，该平台可以绘制个体肿瘤的遗传变异，以帮助预测其对某些药物的敏感性。

Dev表示，其目的是绘制个体患者的肿瘤内特定基因的功能图谱。他希望他的工作最终能转化为一种诊断，为病人的治疗计划提供参考。

如果还有另外一层信息可以补充，Dev认为这对于打造不同患者所接受的特定治疗将非常重要。

在癌症和其它疾病中，CRISPR诊断仍然面临挑战。例如，当前的CRISPR诊断还不能在高通量环境中使用。此外，所有基于CRISPR的诊断平台都需要一个单一的已知靶序列，这在某些癌症和其它多因素遗传性疾病中可能尤其具有挑战性。在CRISPR工具能够同时应用于多个基因之前，需要这种复用类型的诊断可能更适合下一代测序工具。

诊断学中的下一代测序技术

与CRISPR相同，下一代测序技术已经从一个标准的研究应用迅速推进到一个复杂的诊断工具。

立陶宛维尔纽斯赛默飞世尔科技公司的研发经理Žana Kapustina表示，当NGS变得可负担时，它实现了无假设实验，研究者并不需要知道他们在寻找什么。

如今，快速平行测序使研究人员能够寻找未知的基因变异，如检测罕见的疾病，或一次性筛选出一组可能的基因变异。该方法已成为肿瘤学的基础，即开发液体活检或精准疗法的辅助诊断，并且它正在研究应用于遗传性听力和视力损失、遗传性心肌病和常染色体显性多囊肾等疾病的诊断。NGS还能实现单细胞测序，这使得可以在单个细胞水平上发现生物标志物。

在这一点上，NGS技术已经很成熟了，但研究人员仍然面临着一些持续的挑战。其中之一是文库制备。在任何NGS筛选中，研究人员首先将样本DNA分割成小片段，并对其进行标记以方便识别。然后对这些片段进行测序，并对结果进行分析。这可能是一个耗时的过程。

Kapustina表示，不幸的是，他们不能跳过文库的准备工作，但他们正在努力使这些工作流程尽可能地简洁和方便。赛默飞世尔提供了一系列标准化试剂，支持Ion Torrent和Illumina测序仪的文库制备，同时还为开发特定诊断的研究者提供专家指导服务。

研究人员的另一个挑战是样品的稳定性。赛默飞在维尔纽斯的产品经理Sigita Činčiūtė表示，这对使用液体处理机或机器人系统的人来说非常重要，因为他们[加入他们的样品并]将其放置一段时间，甚至几天。赛默飞积极与研究人员协商，帮助他们建立考虑到这些因素的工作流程和诊断方法。

扩展诊断工具箱

适用于分子诊断的技术并不是很常见。分子诊断市场仍由数十年的PCR和ELISA检测所主导。CRISPR和NGS诊断程序的发展为扩展这一组合提供了难得的机会。

事实证明，这两种技术都很容易适应和扩展，允许快速开发和测试候选诊断，而且它们都相对成本低，使它们对保险公司和卫生系统更容易接受。它们还能相互补充，NGS可用于识别未知变异或同时筛查几个已知的生物标志物，而单细胞测序CRISPR诊断很适合在现场或医疗点使用。

CRISPR和NGS诊断不太可能取代更成熟的方法。相反，几乎可以肯定的是，它们将扩大目前无法获得的不同类型的诊断信息。就Dev而言，他已经在使用多种工具来诊断前列腺癌。

Dev表示，无论最终依靠什么诊断工具，它都将是多模式的，这些工具不可能孤立地存在。

这对那些追求分子诊断的人来说是个好消息，或者对CRISPR和NGS在农业或生物燃料领域更远的应用发展来说是个好消息。但最重要的是，这对患者来说是个好消息。

原文检索：
(2021) An awakening in next-generation molecular diagnostics, nature research custom media.
郭庭玥/编译

表观基因组分析为监测和治疗癌症提供了有前途的新方法。这些分析揭示了什么？在多久的将来，表观组学信息能用于改善患者预后？

就癌症而言，在不改变基因编码序列的情况下影响基因表达的机制——表观遗传学机制——与基因突变一样重要。然而，对这些表观遗传过程的研究非常滞后，因为它们过去很难研究。但这种情况在近年来发生了改变，正如巴黎居里研究所（Institut Curie）的癌症表观遗传学家Céline Vallot指出的那样，新技术使我们能够对表观组学进行深挖。

表观遗传过程通常通过改变染色质的结构来发挥作用：染色质由DNA和组蛋白组成。如果染色质是开放的和可接近的，基因转录就能发生；如果染色质是固缩的，那么基因会被沉默。对DNA或包裹DNA的组蛋白进行化学修饰的酶能改变染色体的构象。大多数表观遗传学研究集中于调节这些酶的分子机制，以及它们如何激活致癌基因或失活肿瘤抑制基因。

染色质的结构和基因表达也受到非编码DNA的影响，而非编码DNA占基因组的98%。值得注意的是，有一些短区域控制着附近基因的表达，人们的注意力正转向影响这些所谓的增强子和绝缘子（即那些调控基因表达的非编码DNA）的突变。加州斯坦福大学（Stanford University）人体动态调节物组中心（Center for Personal Dynamic regulation）主任Howard Chang表示，发生在相邻基因边界处的表观组学突变可能会造成这些基因的异常激活。 Chang的团队正在研究表观基因组，并确定癌症、发育和衰老领域中调节转录的关键机制。

由表观遗传突变产生的异常转录谱不仅可以用来区分不同的癌症亚型，还可以作为一种从血液样本中检测肿瘤的方法。靶向表观遗传学调控因子的药物已经被批准用于骨髓增生异常综合征、T细胞淋巴瘤和多发性骨髓瘤的治疗。

然而，表观遗传疗法尚未充分发挥其潜力。目前的治疗方法受到毒性和脱靶效应的限制。下一代测序技术的进步使研究人员能够比以往任何时候都更详细地绘制表观基因组信息及其对染色质结构的影响。通过研究癌细胞及其与之对抗的免疫细胞的表观遗传景观，研究人员正在开发新的表观遗传靶点和治疗方法。这一知识有助于提高表观遗传疗法的选择性，并根据每个患者的特点提供个性化治疗。

表观遗传学和肿瘤免疫学

斯坦福大学的儿科肿瘤学家Crystal Mackall的团队正在使用ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing，开放染色质定位检测）来揭示调节T细胞衰竭的表观遗传机制。T细胞衰竭是一种当T细胞不断受到抗原和炎症因子刺激时发生的进展性功能障碍状态。如果想提高嵌合抗原受体（CAR） T细胞治疗的持久性，克服T细胞衰竭是至关重要的。

Mackall 提醒，ATAC-seq提供了基因组中最活跃的转录区域的可视化信息。Mackall的团队已经使用ATAC-seq来识别在CAR – T细胞衰竭期间上调的转录因子。

Mackall团队的目标是阻断导致T细胞耗竭的转录途径：转录因子c-Jun的过表达似乎可以防止T细胞衰竭并改善肿瘤控制，为下一代抗衰竭CAR-T治疗铺平了道路。

通过将表观遗传知识与CRISPR等基因编辑技术相结合，Mackall希望看到更多的“表观遗传工程”，这将针对基因组的非编码调控区域。据她解释，她们可以通过表观遗传工程调整它们的表达，防止细胞在特定环境下以特定方式作出反应，而不是完全去除与耗竭相关的基因的表达。她们已经证实了这种方法能起到一定的作用，但是否真正具有临床意义还需进一步探索。

Vallot同意，在将目前的研究结果应用于患者之前，表观遗传学技术还需要进一步的改进。她指出，这项技术已经开始应用于病人样本。Vallot希望，在五年内，它可以用来辅助制定大患者队列的个性化治疗。

新兴的单细胞表观遗传技术

直到最近，大多数研究都依赖于检测大细胞群和组织平均表观遗传状态的技术。尽管它们提供了关于广义机制的宝贵信息，但它们不允许对正常或肿瘤组织中特征不明确的细胞群和罕见细胞类型发生的表观遗传事件进行探索。

了解癌细胞的异质性，包括肿瘤内部和肿瘤之间的异质性，可以阐明决定肿瘤转移潜能和治疗敏感性的特征。目前已报道的单细胞表观遗传学方法有30多种，可用于评估染色质结构或DNA可及性（如scATAC-seq）、染色体的3维结构（scHI-c），以及全基因组组蛋白和DNA修饰（如scChIP-seq、scCUT&Tag）（图“将表观组学技术应用于癌症”）。

发育表观遗传学家Melanie Eckersley-Maslin一直在使用单细胞技术来研究胚胎发育早期阶段的表观遗传学重构和细胞命运决定。她现在加入了澳大利亚墨尔本的彼得·麦卡勒姆癌症中心（Peter MacCallum Cancer Centre），在那里她的团队将应用这些方法来检测癌细胞的命运轨迹。

癌症细胞可以发展出类似于胚胎细胞的基因表达模式，这一点已经得到了很好的证实，但研究人员对其发生的原因和方式了解得非常少。Eckersley-Maslin认为，这就像细胞有中年危机，它们失去了自己的身份，变得更像胚胎细胞，能够获得不同的细胞命运，并适应新的环境。科学家们怀疑，了解这些变化的功能意义有可能揭示新的癌症生物标志物和药物靶点。

居里研究所的研究人员开发了一种包括单细胞染色质免疫沉淀和测序（scChIP-seq）的方法来探索乳腺癌细胞的可塑性及其治疗意义。使用患者来源的乳腺癌异种移植模型，他们发现了一个未治疗的药物敏感细胞子集，它们与他莫西芬耐药细胞具有共同的染色质特征。这项工作证实了一种与稳定转录抑制（H3K27me3）相关的特定染色质标记的丢失，这是耐药性的关键机制。

该研究的主要作者Vallot表示，单细胞方法正在为评估肿瘤内的表观遗传异质性奠定基础，这对于理解癌细胞的可塑性和耐药性的进化过程是很有帮助的。她的研究重点是，随着时间的推移，这些细胞如何改变它们的表观遗传倾向，从而对治疗产生耐药性，以及化疗是否可以与表观遗传调节剂结合来防止化疗耐药性。Vallot指出，时机很关键。需要在化疗开始时提供表观遗传调节剂，以限制癌细胞的可塑性，阻止耐药性的发生。

研究组蛋白修饰和转录因子基因组定位的另一种方法是靶向剪切及转座酶技术（Cleavage Under Targets and Tagmentation, CUT & Tag)。该技术的起始材料是活的透性细胞或分离的细胞核，而不是像ChIP那样使用被甲醛交联和剪切的细胞或组织。使用CUT&Tag，在方案的最后一步提取的染色质位于目标蛋白结合位点的局部附近。由CUT&Tag分离的较短的DNA序列的测序深度较低（300-500万个读取长度）。

专门研究果蝇的遗传学家Kami Ahmad表示，靶向剪切及转座酶技术可以有效地分析单细胞的表观基因组和识别疾病的早期阶段。Ahmad在美国西雅图的Fred Hutchinson癌症研究中心与Steven Henikoff一起开发了这项技术。他的团队正在应用高通量的CUT&Tag研究人类的癌症生物学和果蝇的发育过程。他们最新的工作探索了混合表型急性白血病患者样本中单细胞的表观遗传学特征。结果显示，来自同一病人的细胞间染色质的异质性可能对治疗有重大影响。据Ahmad解释，细胞似乎可以在两种表观遗传状态之间相互转换，而治疗可能会导致表观遗传的改变。

多组学方法

利用表观基因组技术在同一个细胞内描绘多个表观遗传标记，并将它们与转录和遗传信息整合，将是生成全面的细胞图谱和个性化癌症治疗的关键。Eckersley-Maslin指出，通过结合不同的技术，研究人员正在做一些真正富有想象力的事情，并更好地了解癌症发生的情况。

目前许多多组学方法正在开发，以推进癌症研究。这些技术包括T-ATAC-seq，将T细胞受体（T Cell Receptor, TCR）编码基因测序与ATAC-seq结合，以提供关于单个T细胞TCR特异性和表观基因组状态的信息；或高通量ATAC和RNA测序（simultaneous high-throughput ATAC and RNA expression with sequencing），一个高度可扩展的方法，可同时检测染色质可及性和同一细胞内的基因表达。

Chang认为，先进的测序技术在癌症研究中的前景是光明的。多组学和空间基因组法是帮助我们理解和修正癌症基因组的两项主要进步。

原文检索：
Nature Research Custom Media for Illumina. (2021) Cancer Epigenetic Research Accelerated by New Sequencing Technologies.
张洁/编译

卫生工作者在法国的一所学校使用快速抗原测试进行大规模筛查。

科学家们仍在争论数百万廉价、快速的诊断工具是否有助于控制疫情。本指南会介绍其中的原因。

随着2021年初英国新冠肺炎病例数量激增，英国政府宣布了一项可能改变新冠疫情局势的举措：提供数百万廉价、快速的病毒检测试剂。1月10日，该机构表示，将在全国范围内推出这些测试，即使没有症状的人也可以接受新冠测试。类似的举措将在美国总统Joe Biden控制美国新冠疫情的计划中发挥关键作用。

这些快速检测通常是将鼻拭子或咽喉拭子与液体混合，然后滴加到试纸上，在半小时内返回结果。这类测试被认为是传染性测试，而不是感染测试。它们只能检测到高病毒载量，无法检测到许多新冠病毒水平较低的人。人们希望，它们可以有助于通过快速识别最具传染性的人群来遏制大流行，否则这些人可能会在不知情的情况下传播病毒。

然而，当政府宣布其计划时，一场激烈的争论爆发了。一些科学家对英国的测试策略感到高兴。另一些人则表示，这种检测会遗漏很多感染病例，如果大量使用，可能弊大于利。英国伯明翰大学（University of Birmingham）专门研究测试评估的Jon Deeks认为，许多人可能会因为测试结果呈阴性而错误地感到安心，放松警惕。如果人们自己进行检测，而不是依赖训练有素的专业人员，这些检测将会漏检很多阳性者。他和同事Jac Dinnes等科学家希望在冠状病毒快速检测被广泛使用之前获得更多数据。

但是其他研究人员很快进行了反击，指出这些测试可能造成伤害的说法是错误的和“不负责任的”（go.nature.com/3bcyzfm）。这些研究人员包括哈佛大学陈曾熙公共卫生学院（Harvard T. H. Chan School of Public Health）流行病学家Michael Mina。他表示，这些争论拖慢了推进疾病大流行所急需的解决办法的进度。我们一直强调，尽管目前还没有足够的数据，但我们正处于一场战争之中——就病例数量而言，情况不会比现在更糟了。

科学家们唯一达成共识的是，需要就快速检测的目的以及阴性结果意味着什么来进行明确沟通。Mina提醒，把工具提供给不知道怎么使用的人并不是一个好主意。

样品检测设备已准备好运往韩国。

快速检测试剂比较

快速测试很难获得可靠的信息，因为——至少在欧洲——产品的销售完全基于制造商的数据，没有独立的评估。没有评估试剂性能的标准方法，将使得比较各个试剂非常困难，并迫使每个国家不得不自己进行验证。

全球创新诊断基金会（Foundation for Innovative New Diagnostics，FIND）首席执行官Catharina Boehme表示，试剂评估是诊疗学领域的大西部（目前还没有标准化试验）。该基金会是一家位于瑞士日内瓦的非营利组织，对数十种COVID-19检测方法进行了重新评估和比较。

2020年2月，FIND启动了一项雄心勃勃的任务，在标准化试验中评估数百种COVID-19快速诊断试剂。该基金会与WHO和世界各地的研究机构合作，对数百个冠状病毒样本进行了测试，并将其与高灵敏度聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）技术获得的样本进行了比较。这项技术从一个人的鼻子或咽喉（有时是唾液）的样本中寻找特定的病毒基因序列。基于PCR的测试通过多次扩增循环，复制出更多的这种遗传物质，因此它们可以检测出最初的极少量的病毒。但它们可能很耗时，需要训练有素的人员和昂贵的实验室设备（见图：新冠快速检测试剂的原理）。

更便宜、更快的检测往往通过检测SARS-CoV-2颗粒表面的特定蛋白质（统称为抗原）起作用。因为这些“快速抗原测试”不会放大样本中的病毒，所以只有当病毒在人体内达到高水平——每毫升样本中可能有数十万，甚至数百万个病毒拷贝——时才能检测到病毒。通常在出现症状前后病毒才能达到这些水平，也就是人们最具传染性的时候（图：新冠检测试剂比较）。

Dinnes指出，制造商关于检测灵敏度的数据主要来自于对有症状人群的实验室试验，这些人往往有高病毒载量。在这些试验中，许多快速测试似乎非常敏感。（它们也具有很高的特异性：不太会出现假阳性的结果。）但现实世界的评估显示，在病毒载量较低的人群中，这些试剂的表现大不相同。

样本中的病毒水平通常通过参考检测病毒所需的PCR扩增周期数来定量。一般来说，如果PCR扩增循环在25及以下（循环阈值/Ct 小于等于25，Ct值是qPCR中起始模板扩增达到一定产物量时，所对应的循环数），那么被认为是高病毒载量，表明该个体可能具有传染性——尽管目前仍不确定有和无传染性的病毒载量分界点是多少。

2020年11月，英国政府公布了在Porton Down科技园和牛津大学（University of Oxford）进行的初步研究结果，完整的结果尚未经过同行评审，但已于1月15日在网上公布。这些报告指出，尽管许多快速抗原检测“不能达到大规模人群使用所需的水平”，但在实验室试验中，4个独立品牌对Ct值≤25的样本达到91-100%的灵敏度。FIND对一些快速检测试剂盒的重新评估也表明，这些试剂盒对Ct值≤25的病毒水平的检测敏感性达到90%或更高。

随着病毒水平下降——也就是Ct值上升——快速检测试剂开始出现假阴性。Porton Down的科学家们特别关注了加利福尼亚州帕萨迪纳市Innova Medical公司的一款快速检测试剂——英国政府已经花费了8亿多英镑（折合11亿美元）来订购这些试剂，作为其减缓冠状病毒传播战略的一个主要手段。当Ct值为25-28时，该检测的敏感性下降到88%，而当Ct值为28-31时，敏感性下降到76%（图：快速检测试剂盒检测高病毒载量）。

位于伊利诺伊州阿伯特帕克的雅培实验室（Abbott Laboratories）于2020年12月对BinaxNOW快速检测试剂进行了评估，结果比Porton Down试验的结果更乐观。雅培的研究测试了加州旧金山的3300多人，结果显示，对Ct值低于30的样本的敏感度为100%（即使感染者没有表现出症状）。

但不同校准的PCR系统意味着，不同实验室之间的Ct值很难进行比较，而且相同Ct值并不总是表明样本中病毒的水平相同。Innova指出，英国和美国的研究使用了不同的PCR系统，只有对同一PCR系统进行直接比较才是有效的。他们提到了一份由Porton Down的科学家在12月底撰写的英国政府报告，该报告对Innova的测试与雅培的Panbio测试（类似于雅培在美国销售的BinaxNOW套件）进行了面对面的测试。在20多个Ct水平低于27的样本中，都检出93%的阳性（go.nature.com/3at82vm）。

英国利物浦对数千人使用Innova快速检测试剂盒进行筛查的试验发现，Ct水平低于25的病例只有三分之二被检出阳性（go.nature.com/3tajhkw），这意味着三分之一可能具有感染性的病例被漏诊了。这种情况进一步证明了Ct校准的细微差别的重要性。正如利物浦研究的负责人、利物浦大学（University of Liverpool）公共卫生和信息学研究员Iain Buchan所表示，处理样品的实验室检测的Ct值是25——也许在其他实验室，同一样品的Ct值在30以上。

Deeks表示，尽管细节尚未揭晓，2020年12月在伯明翰大学（University of Birmingham）进行的一项试验就是一个例子，说明快速诊断试剂盒可能漏检很多病人。超过7000名没有症状的学生参加了Innova测试，只有2例呈阳性。但当大学的研究人员用PCR重新检查了10%的阴性样本时，他们发现了另外6名感染的学生。因此，在所有样本中，Innova诊断试剂可能遗漏了60名受感染的学生。

Mina提出，这些学生的病毒水平较低，所以不太可能具有传染性。Deeks认为，虽然病毒水平较低的人可能处于感染减弱的后期阶段，但他们也可能处于潜伏期，感染力正在加强。另一个因素是，一些学生可能在采集拭子样本时操作不规范，所以没有收集到足够的病毒颗粒。他担心人们会错误地认为单次阴性测试是安全的，而实际上快速测试只是表明当时是否具有传染性。Deeks认为这些测试可以使工作场所完全安全的言论并不是让公众了解其有效性的正确方式。如果人们有一种错误的安全感，他们的一些错误行为就会传播病毒。

但是Mina等人提醒，在利物浦试验中，研究人员告知受试者，即使检测结果为阴性，他们以后仍然可能传播病毒。Mina强调，经常使用这些测试——比如一周两次——是让它们有效地消灭新冠疫情的关键。

对检测结果的解释不仅取决于检测的准确性，还取决于一个人已经感染COVID-19的几率。这取决于他们所在地区的感染率以及他们是否表现出症状。如果来自COVID-19高发地区的人出现了该疾病的典型症状，并得到了阴性结果，这可能是假阴性，需要用PCR进行双重检查。

研究人员还争论人们是否应该自己进行测试（在家里、学校或工作中）。检测结果的可靠性取决于测试人员如何取样和处理样品。例如，实验室科学家使用Innova试剂对所有样本（包括病毒载量非常低的样本）进行检测，达到近79%的敏感性，但自学的普通民众的检测敏感度只有58%（图：快速检测，是否适合在家检测？）——Deeks指出，这一点比较让人担心。

尽管如此，去年12月，英国药品监管机构批准在家庭使用Innova检测试剂来检测无症状感染者的感染情况。卫生和社会保障部（Department of Health and Social Care）的一位发言人证实，虽然这些检测被标记为来自国家卫生服务体系，由卫生和社会保障部设计，但却是从Innova购买的，由中国厦门宝太生物科技有限公司制造。发言人在一份声明中表示，英国政府使用的快速抗原检测试剂经过了该国顶尖科学家的严格评估。这意味着它们是准确、可靠的，并可以成功识别没有症状的COVID-19患者。

德国的一项研究表明，自我管理的测试和由专业人士进行的测试一样有效。这项尚未经过同行评审的研究发现，当人们用棉签擦拭自己的鼻子，并使用世界卫生组织批准的、匿名寄送的试剂进行检测时，其敏感性与专业人员非常相似，尽管人们经常会违背一些使用说明要求。

在美国，FDA 批准了13项抗原检测的紧急使用许可，但只有一项——Ellume COVID-19家用检测——可以用于没有症状的人。据澳大利亚布里斯班的一家公司Ellume称，该检测在11名无症状感染者中检测出了10名冠状病毒，而这些人已经通过PCR检测呈阳性。今年2月，美国政府宣布将购买850万枚这种快速诊断试剂。

不断迭代的快速测试

一些没有资源进行大量PCR检测的国家，如印度，已经使用快速抗原检测试剂一段时间了，目的在于增加检测能力。出于对准确性的担忧，一些有PCR检测的公司才刚刚开始推出快速替代方法。但已经实施大规模快速测试的政府认为这一举措非常成功。斯洛伐克是一个拥有550万人口的国家，它是第一个尝试对其所有成年人进行测试的国家。广泛的检测帮助将感染率降低了近60%。但在进行检测的同时，该国也颁布了一些其他国家没有实施的严格限制，以及政府为检测呈阳性的人提供财政支持，帮助他们居家隔离。因此，专家们指出，虽然结合检测和限制措施似乎比单独限制措施能更快地降低感染率，但目前还不清楚这种方法是否能在其他地方奏效。在其他国家，许多人可能不愿意接受快速检测，那些检测呈阳性的人可能缺乏居家隔离的动机。尽管如此，由于商业快速检测非常便宜——低至5美元——Mina表示，各个城市/州可以购买数百万个这样的检测，而这只是政府新冠疫情相关成本的一小部分。

在一些情况下，快速检测可能特别适合于无症状筛查，场所包括监狱、无家可归者收容所、学校和大学，这些地方的人们无论如何都可能聚集在一起，因此任何能够发现额外感染病例的检测都是有用的。但Deeks提醒，这种测试不能作为改变人们行为或促使他们放松预防措施的依据。例如，如果检测结果为阴性，人们就会有更强的动机去拜访疗养院里的亲戚。

在美国，大规模快速测试项目目前已经在学校、监狱、机场和大学等地展开。例如，位于图森市的亚利桑那大学（University of Arizona）自5月以来一直在使用由加州圣地亚哥的Quidel公司开发的索菲亚测试系统，每天对其运动员进行筛查。自2020年8月以来，它已经至少每个月对学生进行一次测试（一些学生——尤其是那些住在爆发疫情宿舍的学生——被测试得更频繁，最多每周一次）。到目前为止，该大学已经进行了近15万次检测，过去两个月没有报告COVID-19病例激增。

负责亚利桑那州大规模检测项目的干细胞研究人员David Harris表示，不同类型的检测有不同的用途：快速抗原检测不应该被用于评估病毒在人群中的流行程度。如果你像PCR一样使用它，你会得到一个可怕的灵敏度，但就目前的用途——防止感染的传播而言，抗原测试，尤其是多次应用时，似乎效果很好。

世界各地的许多研究小组都在设计更快、更便宜的测试方法。一些公司正在对PCR测试进行调整，以加快扩增过程，但其中许多测试仍需要专业设备。其他方法依赖于一种叫做环介导等温扩增（LAMP）的技术，这种技术比PCR更快，而且只需最少的设备。但这种检测不如基于PCR的检测灵敏。去年，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究人员开发了他们自己的快速诊断方法：一种基于PCR的测试，使用唾液而不是鼻拭子，跳过了昂贵而缓慢的步骤。该检测费用为10-14美元，在不到24小时内就能得到结果，这使得该大学可以每周对校园里的每个人进行两次筛查，尽管它依赖于现场实验室进行PCR检测。2020年8月，频繁测试让该校发现了校园感染的激增，并在很大程度上控制住了病情发展。一周之内，新发病例减少了65%，此后该大学从未报告过类似的激增。
Boehme表示，没有一种检测方法可以满足所有的需求，但是能够识别感染人群的检测方法对于保持世界经济的开放至关重要。在机场、边境、工作场所、学校和临床环境中的测试——所有这些都是快速测试有很大优势的场合，因为它们易于使用、成本低、速度快。然而，大规模的测试项目应该依赖于最好的可用测试。

欧盟目前对COVID-19诊断检测的批准程序与对其他类型诊断的批准程序相同，但对某些检测方法性能的担忧，使其去年4月出台了新的指南。新指南要求制造商生产的试剂性能至少与当前主流的新冠快速检测试剂可比。但是，由于在制造商的试验中测试的效果可能与在现实世界中不同，该指南建议成员国在推出测试之前对其进行验证。

Boehme指出，理想情况下，各个国家不需要验证每一个试验。世界各地的实验室和制造商都将使用共同的评估方法，比如FIND开发的那些方法。我们需要的是评估快速诊断试剂的标准化方法，这和评估疗法和疫苗是一样的。

原文检索：
Giorgia Guglielmi. (2021) Rapid coronavirus tests: a guide for the perplexed. Nature, 590：202-205.
张洁/编译