Nature Biotechnology丨论文导读——单细胞空间转录组分析、磷酸化蛋白质组功能性景观数据库

欧洲分子生物学实验室（EMBL）Sergei Yakneen（第一作者）与Jan O. Korbel 研究组与全基因组泛癌分析（Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes, PCAWG）联盟合作开发出了一个新型计算工具称为Butler，文章题为Butler enables rapid cloud-based analysis of thousands of human genomes。Butler能够支持公共云或者学术机构云中进行大规模的基因组分析。Butler包括创新的异常检测和自修复功能，与现有的技术方法相比Butler能够大大提高数据处理和分析的能力。进一步地，Butler能够对PCAWG计划中725万亿字节癌症基因组数据进行高效地分析和处理。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0360-3

德国生物医学成像中心Miguel A. Pleitez（第一作者）与Vasilis Ntziachristos研究组发文Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in living cells，发明了新型的中红外光声显微镜（Mid-infrared optoacoustic microscopy, MiROM）成像技术。MiROM的特点是能够在无标记、选择性地结合以及活体成像的方式对组织或者细胞中的糖类、脂质以及蛋白质进行时空方面的监测。利用光学吸收的声学探测技术，MiROM将中红外传感转换成具有可忽略的光损伤和高灵敏度的正对比成像模式。作者们使用MiROM来观察脂肪形成过程中内在碳水化合物分布从扩散空间模式到与脂滴紧密共定位的变化。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0359-9

明尼苏达大学Mary G. Garry与Daniel J. Garry 研究组发文题为Generation of human endothelium in pig embryos deficient in ETV2，发现可以利用猪进行人体器官培育，降低人体移植产生排斥反应的可能性，从而为供体器官短缺的问题提供可能的解决方案。已有研究表明，缺乏发育调控基因的啮齿动物囊胚的种间互补可产生异种胰腺和肾脏。然而，这些器官含有宿主内皮细胞，这是免疫排斥的来源。作者们使用基因编辑和体细胞核转移技术来制造ETV2基因缺陷的猪胚胎，ETV2是血管内皮细胞谱系的主要调控因子。ETV2缺失的猪胚胎缺乏血管内皮细胞，在胚胎时期致死。ETV2缺失的猪胚胎与野生型猪囊胚互补产生的嵌合胚胎后，由于其血管内皮细胞完全来源于供体，为解决免疫排斥提供了一定的可能性。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0373-y

德国海德堡葛兰素史克公司Marcus Bantscheff 、Giovanna Bergamini 研究组与欧洲分子生物学实验室Mikhail M. Savitski合作发文Identifying drug targets in tissues and whole blood with thermal-shift profiling，利用组织和全血到的细胞热移实验分析图谱对药物靶点进行鉴定。细胞热移实验方法对于在简单的细胞系统中进行药物靶点间的相互作用监测有着很好的应用，但是在体内进行应用仍然具有很大的挑战。作者们利用组织热移蛋白质组分析技术，通过定量质谱检测蛋白质热稳定性变化，测量小分子药物与药物处理动物组织样品中蛋白质的结合。该方法的利用有助于阐明药物在体内的具体作用机制。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0388-4

美国麻省综合医院Vamsi K. Mootha研究组发文题为An engineered enzyme that targets circulating lactate to alleviate intracellular NADH:NAD+ imbalance，设计出了一种针对循环乳酸的工程化酶，能够有效缓解细胞内NADH:NAD+的失衡。细胞内的NADH:NAD+比值升高或者“还原性胁迫”与多种疾病的产生相关，包括线粒体电子传递链紊乱。由于细胞内NADH:NAD+比值与循环乳酸:丙酮酸比值处于平衡状态，作者们推测可以通过将细胞外乳酸氧化为丙酮酸，缓解还原性应激反应。

因此，作者们设计了一种细菌乳酸氧化酶(LOX)和过氧化氢酶(CAT)的融合物LOXCAT，能够不可逆地将乳酸和氧气转化为丙酮酸和水。将纯化的LOXCAT加入到电子传递链缺陷的体外培养人体细胞中，作者们发现可以降低细胞外乳酸:丙酮酸比值，使细胞内NADH:NAD+比值正常化，增加糖酵解过程ATP的产生进而恢复细胞增殖。该研究为细胞内氧化还原失衡方面的疾病治疗奠定了基础。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0377-7

哈佛医学院Peter J. Park研究组发文Accurate detection of mosaic variants in sequencing data without matched controls，发明了一种在没有匹配控制的情况下能够精确检测测序数据中嵌合突变的机器学习算法MosaicForecast。该算法是基于Read-based phasing与 Read-level的特点对嵌合突变和增加缺失进行检测的算法，与现有的算法相比大大提高了特异性。作者们通过单细胞测序和靶向测序进一步验证了MosaicForecast算法的有效性和精确性。该算法为阐明嵌合突变在疾病起源和发展过程中可能的作用提供了新颖的工具。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0368-8

美国隶属NIH与NIAID的疫苗研究中心Robert A. Seder研究团队发文题为Peptide-TLR-7/8a conjugate vaccines chemically programmed for nanoparticle self-assembly enhance CD8 T-cell immunity to tumor antigens，该文章为本月封面文章。文章中介绍了一种通过采用肽-TLR-7/8a偶联自组装均匀纳米颗粒的策略，精确加载用以疫苗接种的不同肽段。该方法与个性化治疗策略的发展相一致，可能可以针对患者特异性新表位产生癌症疫苗。

针对患者特异性新抗原生产个性化癌症疫苗是一种有前途的癌症治疗方式，然而新抗原的不断产生以及抗原物理化学方面的不断变异为个性化癌症疫苗设计提出了挑战。作者们开发出了一种基于电荷修饰肽段与TLR-7/8a偶联的疫苗平台，经过化学修饰可以自组装成大小一致的纳米颗粒，而此颗粒与抗原组成无关。该方法可在纳米颗粒中精确加载与TLR-7/8a相关的多种多肽新抗原，增加抗原呈递细胞的摄取和激活，从而促进T细胞免疫。总之，肽-TLR-7/8a疫苗平台为诱导抗癌T细胞免疫提供了一种通用的疫苗产生方法。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0390-x

纽约大学Itai Yanai研究组发文Integrating microarray-based spatial transcriptomics and single-cell RNA-seq reveals tissue architecture in pancreatic ductal adenocarcinomas，通过整合空间转录组与单细胞RNA-seq的数据对胰腺导管腺癌的组织结构和转录信息进行揭示。单细胞RNA测序技术能够系统性地识别组织中的细胞群，但是对于组织的空间结构描述仍然具有一定的挑战性。

作者们将空间转录组学方法与同一样本生成的单细胞RNA测序进行整合，并通过建立多模态交叉分析的方法，对不同组织区域的细胞组成进行准确描述。该方法可以对组织中的转录组信息与空间组成结构信息进行统一和整理，为进一步揭示如癌症组织中细胞的相互作用提供了工具。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0392-8

欧洲分子生物学实验室Jan O. Korbel 研究组与德国萨尔兰大学Tobias Marschall 实验室合作发文Single-cell analysis of structural variations and complex rearrangements with tri-channel processing，利用单细胞分析方法对基因组中的结构变异以及复杂的重排过程进行分析。结构变异包括DNA片段的缺失、复制、倒置和易位，是体细胞遗传变异的一个主要来源，并且可能导致癌症相关通路的失调。但是，在单个细胞中找到体细胞中的结构变异并不容易，因为拷贝数中性变异和复杂的结构变异通常很难被检测到。

作者们建立一个单细胞三通道（Single-cell tri-channel processing，scTRIP）分析方法，该方法集成了读取深度、模板以及单倍型相位的计算框架，可以全面的检测细胞中的结构变异。scTRIP分析方法可以直接测量打个细胞中的结构变异过程，促进克隆进化、遗传嵌合以及结构变异形成分子机制方面的研究，为精准医疗提供进一步的疾病分类的依据。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0366-x

加州大学旧金山分校Jonathan S. Weissman 研究组发文Titrating gene expression using libraries of systematically attenuated CRISPR guide RNAs，描述了一种使用CRISPR干扰和一系列具有系统调节活性的sgRNAs来定量人类基因表达的方法。一直以来，领域内缺乏精确控制基因表达的工具，这限制了科学家们对于基因表达水平与具体表型之间的关系的检测。作者们合成了一个sgRNA文库可以用来定量月2400个基因的表达水平，这些基因对细胞的生长是必须的。结合单细胞RNA-seq数据，可以通过基因特异性表达量的变化表现出明显的细胞行为的转变。该方法为控制基因表达提供了一个通用性的工具，应用范围覆盖生化途径调节、基因表达失调疾病相关因子等等。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0387-5

欧洲分子生物学实验室Pedro Beltrao研究组发文The functional landscape of the human phosphoproteome，对人体内的磷酸化蛋白质组进行功能性景观全分析。蛋白质磷酸化过程是调节蛋白质功能的关键性翻译后修饰。在人类细胞中，已经发现的蛋白质磷酸化修饰位点有数以万计，但是目前还缺乏能够确定每个磷酸化位点功能重要性的方法。作者们手动整合了112个富含磷酸化修饰蛋白质的数据库，在进行重新分析、整理后创建出了一个包含119,809个人类磷酸化蛋白质组数据库景观。该整合性数据库对于不同分子机制、不同调控过程以及参与不同疾病过程的磷酸化蛋白质进行了综合性分析，为人体内的磷酸化蛋白质组学研究提供了重要的研究参考资源。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0344-3