新年新氣象2016值得關注的技術

　　《Nature Methods》盤點2015年度技術，選出了最受關注的技術成果：單粒子低溫電子顯微鏡（cryo-EM）技術。 除此之外，也整理出了2016年最值得關注的幾項技術，分別為：細胞內蛋白標記（Protein labeling in cells）、細胞核結構（Unraveling nuclear architecture）、動態蛋白質結構（Protein structure through time）、精準光遺傳學（Precision optogenetics）、高度多重化成像（Highly multiplexed imaging）、深度學習（Deep learning）、蛋白定位亞細胞圖譜（Subcellular maps）和綜合單細胞圖譜（Integrated single-cell profiles）。

　　早在幾個世紀之前，我們人類就開始繪制地球，海洋和天空的地圖了，然而直到近幾十年，我們才開始在分子水平上探索細胞的圖譜奧秘。

　　細胞結構嚴密，不只是細胞質，細胞內的各個成分均組織緊密整合。這些成分構成細胞器，具有特殊的分子組成和特性，而且它們也隨著不斷分子流入與流出，保持著動態平衡。毫無疑問，細胞功能進程依賴于其結構：細胞篩選通過一系列膜結構，許多信號過程也是通過分子支架進行組織的，還有基因表達也與基因組的空間構成有關。雖然細胞組織和蛋白定位可以通過細胞生物學解析，但是其中對蛋白分布進行系統分子繪圖依然有待研究。

　　早期的研究工作利用細胞分餾，進行蛋白定位生化分析，主要采用的技術是質譜（Cell 125, 187–199, 2006），而近年來科學家主要采用基于抗體的免疫細胞化學方法等技術繪制亞細胞結構圖譜，其次還有遺傳編碼工具，如抗壞血酸過氧化物酶，生物素連接酶，這些都可以用于基于接近感測（proximity-based methods）的生物素化分析方法，還有捕獲與質譜技術，也能確定細胞內靶向位點上存在哪些蛋白。

　　麻省理工學院的研究人員利用顯微鏡成像和質譜法，標記了細胞特異區域中的蛋白質，生成了一張該區域中所有蛋白質的綜合列表（Science 339, 1328–1331, 2013）。

　　他們在質譜法之前先標記活細胞中的蛋白質，從而在細胞裂解之前先獲得了空間信息。隨后在分析過程中通過注釋攜帶定位標記的蛋白，對這一信息進行重建。新系統利用了一種生物素（biotin）化學標記。為了用生物素標記蛋白質，研究人員首先設計出了一種命名為“APEX”的新酶。

　　該酶是一種過氧化物酶。每種過氧化物酶都具有不同的底物，生物素酚（biotin-phenol ）是APEX的一種底物。當研究人員將生物素酚添加到表達APEX的工程細胞上時，該酶生成了生物素-苯氧自由基(phenoxyl radical)——帶有不成對電子的高活性分子。這些自由基迅速抓取附近的蛋白質，用生物素對它們進行標記。

　　這些方法也在不斷改進中，而且也開始被應用于亞細胞結構圖譜實驗。如一些開發的定位程序，WoLF PSORT就是用于蛋白質亞細胞定位預測的PSORT II程序的一個擴展。WoLF PSORT基于分選信號、氨基酸組成和功能motifs，例如DNA結合motifs，將蛋白質氨基酸序列轉換為數值定位特征。轉換之后，一個簡單的k最近鄰居分類器被用于預測。

　　甚至市場上也有一些相關產品，如Life Technologies推出了即用型的熒光蛋白載體，融合了信號肽，能將表達的熒光蛋白定位到亞細胞器中，如核、質膜、內質網、高爾基體和過氧化物酶體等等。這種CellLight?試劑將信號肽或細胞結構蛋白與emGFP和TagRFP融合，可準確且特異地定位到亞細胞區室和結構。

　　雖然蛋白定位亞細胞圖譜能幫助科學家們獲取前所未有的成像圖片，但是蛋白只是構成細胞的幾種主要元素之一，因此利用這些圖譜并不能了解脂質和糖，不過對于目前的細胞研究來說，蛋白圖譜依然是最先需要開始探索的一塊土壤。