​Nat Biotech | 第6期导读——纳米孔测序建立细菌完整基因组、单细胞RNA计数技术等

撰文 | 十一月

责编 | 酶美

2020年6月刊，Nature Biotechnology共发表7篇文章，其中包括4篇Letters、1篇Articles和2篇Analysis，主要介绍了纳米孔测序建立细菌完整基因组、单细胞RNA计数技术、微流控抗体筛选技术、利用gRNA筛选进行Cas13 gRNA优化设计以及组蛋白修饰可视化阅读器的建立等。

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美国斯坦福大学Ami S. Bhatt研究组发文题为Complete, closed bacterial genomes from microbiomes using nanopore sequencing，利用纳米孔测序完成来自微生物群落的完整、封闭的细菌基因组。微生物基因组可以通过短读测序数据进行组装，但这些元基因组组装的连贯性受到重复元素的限制。正确分配重复序列的基因组位置对于理解基因组结构对基因组功能的影响至关重要。作者们采用纳米孔测序和名为Lathe的工作流程，结合长读组装和短读纠错，从复杂的微生物群落中组装封闭的细菌基因组。作者们使用该方法对12种细菌的基因组进行了组装从而验证了该工作流程的有效性。尽管与其他测序和装配方法相比核苷酸的准确性下降，但是该方法提高了装配的连续性，允许对微生物中重复元件的功能和适应性方面的作用进行研究。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0422-6

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瑞典卡罗琳学院（Karolinska Institutet）Rickard Sandberg研究组发文题为Single-cell RNA counting at allele and isoform resolution using Smart-seq3，建立了Smart-seq3技术该技术可以在等位基因和基因亚型的分辨率上对单细胞中RNA进行计数。对单个细胞的RNA进行大规模测序可以揭示不同细胞类型和状态下的基因、亚型和等位基因表达模式。然而，目前的短读（Short-read）单细胞RNA测序方法对等位基因RNA的计数和亚型分辨率的能力有限，而长读（Long-read）测序技术又缺乏在细胞中大规模应用所需的深度。在该工作中，作者们建立的Smart-seq3技术结合了全长度转录组覆盖和5种独特的分子标识RNA计数策略。在被计数和重构的分子中，60%可以直接分配到等位基因来源，30%-50%可以分配到特定的基因亚型，并且作者们发现在不同的小鼠菌株和人类细胞类型中基因亚型的使用有实质性的差异。与Smart-seq2相比，Smart-seq3极大地提高了敏感性，每个细胞可以多检测数千个转录本。未来Smart-seq3技术可能将在组织和生物体中实现细胞类型和状态的大规模表征。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0497-0

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法国HiFiBiO Therapeutics SAS的Colin Brenan 研究组、法国PSL研究大学Andrew D. Griffiths研究组、巴斯德所 Pierre Bruhns研究组合作发文题为High-throughput single-cell activity-based screening and sequencing of antibodies using droplet microfluidics，利用液滴微流控技术进行高通量单细胞活性为基础的抗体筛选和抗体测序。挖掘浆细胞（Plasma cells）和浆母细胞（Plasmablasts）抗体库可以发现用于治疗或研究目的的有用抗体。作者们提出了一种高通量、单细胞筛选抗体的方法称为CelliGO，该技术是一种液滴微流控系统，基于荧光的液滴对单细胞生物检测，结合高通量筛选IgG活性并使用液滴单细胞条形码逆转录对配对抗体V基因进行测序。作者们利用该平台可以进行疫苗靶点、多功能酶或膜结合肿瘤靶点免疫小鼠的细胞中IgG序列多样性、克隆扩增和体细胞超突变的分析。该技术对于进行高通过量的抗体筛选提供了重要平台。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0466-7

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美国纽约基因组中心Neville E. Sanjana研究组发文题为Massively parallel Cas13 screens reveal principles for guide RNA design，利用Cas13 gRNAs的大规模筛选建立gRNA优化设计的规则。VI型CRISPR酶是具有核酸酶活性的RNA靶向蛋白，能够在不改变基因组的情况下特异性敲低靶标基因。为了对Cas13d gRNAs设计规则进行总结和定义，作者们对靶标mRNA和CD46、CD55以及CD71细胞表面蛋白进行了大规模并行筛选。总的来说，作者们在对24,460个gRNAs进行了活性测量后发现敲低效率由gRNA特异性特征以及靶标序列位点环境所决定。

据此作者们开发了一个计算机模型对gRNAs进行优化鉴定以及确认其普遍性，同时利用对内源48个基因3,979 gRNAs进行测试以确定该模型的有效性。该模型可以对人类基因组中所有的蛋白质编码序列进行预测和优化。值得一提的是，该工作为当期封面文章发表，利用大量筛选的数据开发建立了计算模型，用以优化Cas13 gRNA设计。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0456-9

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瑞士苏黎世大学Tuncay Baubec研究组发文题为ChromID identifies the protein interactome at chromatin marks，建立在小鼠胚胎干细胞中稳定表达的染色质表观遗传修饰阅读器用以监测不同的染色质修饰。染色质修饰通过招募蛋白质进入基因组来调节基因组功能。然而，在不同的染色质修饰的蛋白质组成还没有完全的表征。在该研究中，作者们利用天然蛋白结构域模块化构建工具，开发了选择性的用于H3K4、H3K9和H3K27甲基化以及DNA甲基化的染色质阅读器 (Engineered chromatin readers, eCRs)。通过在小鼠胚胎干细胞中稳定表达eCRs并测量其亚核定位、基因组分布和组织分化结合偏好，作者们首次证明了其在活细胞中作为选择性染色质结合物的作用。通过将eCRs与生物素连接酶融合，作者们建立了ChromID技术，该技术是一种基于近距离识别生物素化蛋白相互作用的方法并可以将其应用于小鼠干细胞中不同的染色质修饰的检测。利用合成的双修饰阅读器，作者们揭示了以H3K4me3和H3K27me3为标记的双价修饰启动子的蛋白组成。该文章为染色质组蛋白修饰以及DNA修饰的研究提供了重要的可视化和高通连测序工具。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0434-2

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美国Broad研究所Joshua Z. Levin研究组发文题为Systematic comparison of single-cell and single-nucleus RNA-sequencing methods，对单细胞和单细胞核RNA测序的方法进行系统性比较。近年来，单细胞RNA测序方法的规模和能力迅速扩大，使重大发现和大规模细胞绘图工作成为可能。然而，这些方法还没有系统和全面的标准。在该研究中，作者们对7中单细胞或者单细胞核测序建立图谱的方法进行对比。作者们利用这些方法分别测试了细胞系、外周血单核细胞以及脑组织这三种类型的样本，在6个独立实验中共产生了36个文库。为了直接比较这些方法，作者们开发了一个计算模型称为scumi，该计算模型可以用于任何单细胞RNA测序方法，系统性的对这些单细胞RNA测序方法进行了比较并对优缺点进行了总结。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0465-8

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西班牙巴塞罗那科学与技术学院Holger Heyn研究组发文题为Benchmarking single-cell RNA-sequencing protocols for cell atlas projects，对不同的单细胞测序技术进行了系统性评估。scRNA-seq是表征样本中单个细胞转录组的技术。目前最新的scRNA-seq实验方法可以扩展到数千个细胞，并被用于建立组织、器官和有机体的细胞图谱。然而，这些实验方法在RNA捕获效率、偏好、规模和成本方面存在很大差异，而且它们在不同应用中的相对优势尚不清楚。因此，作者们通过现有的13种常用的scRNA-seq实验方法生成基本数据图谱来系统地评估这些实验方法在全面描述细胞类型和状态方面的能力。该工作通过不同的方案在文库的复杂性和检测细胞类型标记的能力上有所不同，对它们的使用价值和细胞图谱的适用性进行评估，为研究人员选择性使用不同的scRNA-seq实验方法提供了指导。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0469-4

制版人：十一