生化环材前几年被誉为专业的四大天坑，并且生物首当其冲，但是高通量技术如同给生物插上了一只翅膀，与合成生物学、基因编辑等其他翅膀一同带着生物慢慢飞出了坑。高通量组学的出现大幅改变了生物领域的研究方法和研究思路，并且大幅加速研究人员的科研进展。
2022年Nature杂志将空间转录组学技术视为值得关注的年度7大技术之一，2023年Nature杂志将单细胞代谢组学评价为可能改变本年度的重大科学技术，足以证明组学给科技发展带来的重大革新作用。
基因组学
Guide View
基因测序技术同样经过Sanger法测序和毛细管测序之后，终于也迎来了与下一代测序技术（Next Generation Sequence，NGS）。Illumina、Thermo Fisher、PacBio等公司是三颗明晃晃的大水钻，Illumina公司采取边合成边测序的方法，荧光标记的可逆终止子在添加每个 dNTP 时成像，从而完成短读长和长读长序列的测序。其基本原理是将DNA片段连接到芯片表面的DNA适配器上，通过PCR扩增和桥式扩增等技术产生大量同种DNA片段，再通过荧光标记和激光扫描的方式进行测序。
Thermo Fisher 收购了Ion Torrent公司从而在NGS领域有了自己的一席之地。他们采用一种基于半导体芯片的NGS技术，其基本原理是通过DNA聚合酶在芯片表面合成DNA链，随后通过检测释放的质子数来确定碱基序列。
PacBio采用一种基于单分子实时测序的NGS技术， 其基本原理是将D NA片段引入纳米孔中，通过单分子荧光标记和激光扫描的方式进行测序。NGS技术的发展和商业化将测序组学的概念变成了可能。
图1 基因组学领域优秀公司
基因组学通过对多个测序队列的测序与比较，并与疾病或者发育相关联，从而在庞大的人类基因数据海洋中对新的疾病靶点和人类发育机制挖掘出新的信息，完善人们对人类发育和疾病发生的机制理解。
2023年1月9日，Nature Genetics杂志报道了研究人员通过对包括 150,272人中的9,826例，并确定了与房颤相关的东亚特有的罕见变异。对超过100万个人（包括 77,690 个病例）进行的跨血统荟萃分析确定了 35 个新的易感位点。从而对房颤的临床治疗提供了新的切入点[1]。
图2 确定房颤新的临床基因八点的具体分析方法[1]
转录组学
Guide View
DNA的“太子”mRNA不同于其他RNA兄弟，从一出生便吸引着所有人的目光。由于mRNA能够准确传递DNA“父皇”的信息，为了揣测上意，人们想尽办法解读太子。
通过开发RNAseq技术使得人们可以解析混合样品中的几万个基因的实时表达情况。但RNAseq不能分清特定细胞的基因表达情况，基于此，单细胞测序技术应运而生。单细胞测序是通过bead偶联引物，引物前有特定的细胞标记，通过细胞标记对测序对象分解为单细胞水平。 但是单细胞RNA 测序同样存在着相应的技术瓶颈。
制备单细胞样品时对组织样品的解离以及制成单细胞混合悬液会使细胞失去相应的空间信息。此时空间转录组的开发进入了人们的视野。Joakim Lundeberg 课题组于2016 年首次提出了空间转录组学的概念 ，发表了第一个基于原位捕获RNA 的空间转录组学技术，将RNA测序技术与空间切片技术结合，在亚细胞水平对切片进行测序。这项技术不仅能够对细胞 标志物进行鉴定，以及病理组织和正常组织的基因表达差异，还能够组织空间中显示出具体的基因表达差异，为空间精确给药治疗提供了更加行之有效的基础。
在此基础上， 华大基因等公司为了将空间转录组技术精确到单细胞水平，他们通过开发Stereo-seq算法将单细胞RNA测序和空间转录组测序相结合，通过机器学习对两个组学进行整合分析，完成对疾病临床的深入解析。 2023年3月15日Nature杂志发表文章，研究人员通过对同一切片进行空间转录组和表观基因组ATAC-seq进行共测序，进行联合分析，对小鼠胚胎、幼年和成年期大脑进行解析，绘制空间内表观遗传机制如何控制组织中的转录表型和细胞动力学[2]。
图3空间转录组与ATAC-seq联合分析解析大脑细胞动力学[2]
转录组技术还可以与表观遗传学相结合，对甲基化乙酰化等修饰后的转录组进行测序，对具体基因的表观修饰进行高通量检测。
现今应用最多的普通转录组，单细胞转录组和新兴的空间转录组的区别如图5， 普通转录组如同混合果汁 ，不包含具体细胞和空间位置信息， 单细胞转录组如同水果分堆 ，虽然多了具体细胞数据但未有空间位置信息来源， 空间转录组相当于一个完整的果盘 ，在有具体细胞数据的基础上增加了空间信息，从而将具体的空间形态进行展现。
图4 普通转录组，单细胞转录组和空间转录组的区别
冰冻三尺非一日之寒，吃成肥猪非一日之馋，在转录组领域积累了丰富技术经验的几家公司也利用自己庞大身躯稳稳压住了其他竞争对手。
10x Genomics公司的技术名为"Chromium Single Cell Gene Expression Solution"， 使用微流控芯片对单个细胞进行分离和测序 ，可以获得高通量的单细胞转录组数据。该技术可以用于研究细胞异质性、细胞分化和发育等问题。
Illumina公司通过"RNA Sequencing"技术， 使用高通量测序仪对RNA进行测序，可以获得全基因组的转录组数据 。该技术可以用于研究基因表达、剪切变异和新的转录本等问题。
Fluidigm Corporation公司使用"C1 Single-Cell Auto Prep System"技术， 使用微流控芯片对单个细胞进行分离、捕获和扩增，可以获得高质量的单细胞转录组数据 。该技术可以用于研究细胞异质性、细胞分化和发育等问题。
图5 转录组学领域的优秀公司代表
蛋白质组学
Guide View
蛋白质作为mRNA的下游，细胞内的真正一线“打工人”，“打工人们“的状态影响整个细胞公司的生存状态。1994年Marc Wilkins和Keith Williams提出蛋白质组学的概念，并且在Electrophoresis发表论文[3]。
蛋白质组学最常用的技术是二维电泳，通过不同的等电点和分子量将不同的蛋白质在二维平面进行分布。通过特定等电点和分子量确定不同的蛋白质身份。
质谱法同样在蛋白质组学研究中占据重要的部分，通过LTQ轨道阱质谱，MALDI（底物辅助激光解吸/电离）和ESI（电喷雾电离）能够通过测量蛋白质的质量和序列信息来鉴定和定量蛋白质。2023年1月2日，Dylan C. Mitchell等人在Nature Biotechnology发文，构建出一种基于板的高通量药物筛选平台，并使用此平台成功分析875种小分子药物对与癌细胞的作用[4]。Pavel Sinitcyn课题组开发了一种深度蛋白质组解析方法，他们使用六种不同的人类细胞系、六种蛋白酶、深度分离和三种串联质谱片段化从 17,717 个蛋白质组中鉴定出一百万个独特的肽，中位序列覆盖率约为 80%[5]。
图6 高通量药物筛选平台具体方法[4]
图7蛋白质组深度解析的工作流程[5]
在蛋白质组的蛋糕中，几家知名生物行业公司靠着自己强大的实力切走了大部分带有水果的蛋糕。
Thermo Fisher Scientific 公司通过"Orbitrap Mass Spectrometry"技术， 使用高分辨率质谱仪对蛋白质进行分析 ，可以获得高灵敏度和高分辨率的蛋白质组数据。
Agilent Technologies 使用 "SureSelect Target Enrichment System"技术， 使用寡核苷酸探针对特定的蛋白质进行富集 ，可以获得高深度和高覆盖度的蛋白质组数据。该技术可以用于研究蛋白质变异、修饰和相互作用等问题。
Waters Corporation 公司的技术名为"Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC)"， 使用高效液相色谱对蛋白质进行分离和纯化 ，可以获得高分辨率和高灵敏度的蛋白质组数据。该技术可以用于研究蛋白质复杂性、异构体和修饰等问题。
Bruker Corporation 利用"Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS)"技术， 使用激光对蛋白质进行离子化和分析 ，可以获得高通量和高精度的蛋白质组数据。
图8 蛋白质组领域的优秀公司
代谢组学
Guide View
代谢组学是在一个生物细胞、组织、器官或生物体中所有的代谢产物的集合，而这些代谢物是此生物体基因表达的最终产物。
上世纪末代谢组学技术由英国伦敦帝国大学教授Jeremy Nicholson创立，随后在物质检测以及疾病临床等领域得到了迅速发展，代谢组学的步骤主要为分离小分子混合物并对分离后的小分子物质进行物质鉴定，分离方法以气相色谱/气相色谱-质谱联用技术，高效液相色谱技术和毛细管电泳技术等亲和层析技术最为常用。检测分离后的小分子主要采用核磁共振波谱技术和质谱技术两种技术进行鉴定。自从技术建立以来，广泛应用于疾病诊断和治疗，药物研发，营养学和环境毒理学等领域。
通过代谢组学和质谱成像技术，追踪嘌呤如何在嘌呤体内合成，并使用复杂的质谱成像直接观察冷冻 HeLa 细胞内代谢活动，研究人员成功发现了酶之间代谢通道的证据，这限制了嘌呤体中形成的中间体与大量细胞代谢物库的平衡[6]。
图9 代谢组学深度解析酶之间的代谢通道[6]
代谢组学技术带来的巨大商业价值让资本预见了生物领域前所未见的狠活。Metabolon公司专注于代谢组学分析和数据解释。他们提供代谢组学分析服务，以帮助客户了解代谢组学数据，并开发出可行的应用。
Biocrates Life Sciences是一家生物技术公司，专注于代谢组学分析和诊断。他们提供用于代谢组学研究的试剂盒和分析平台。
Human Metabolome Technologies公司提供代谢组学分析和解释服务，同时还开发了代谢组学分析软件，以帮助客户更好地理解其数据。
Metabometrix是一家代谢组学公司，提供代谢组学分析和数据解释服务，并且专注于将代谢组学应用于药物研发和临床诊断。
图10 代谢组学领域的优秀公司
微生物组学
Guide View
微生物组学起源于微生物学，随着显微镜对世界的放大人们的目光便关注到了无时无刻都陪伴着人们的超级迷你小宠物-微生物。随之 NGS测序技术的不断发展，微生物鉴定逐步摆脱了分离培养，使用克隆技术鉴定的基础阶段，步入基于DNA和RNA的方法进行直接测序 。
1977年，Carl Woese和George E. Fox引入了系统发育标记， 例如用于微生物群落分析的16S rRNA基 因，打牢微生物组所需技术地基。微生物组还可以结合MALDI-TOF MS质谱技术，与代谢组学技术结合，将微环境的多样性的微生物与代谢物进行关联，从而更加精确的建立微生物-代谢物对人体健康的具体影响机制。
Jessica Roelands课题组对348 名原发性结肠癌患者的新鲜冷冻样本进行了全面的基因组分析，包括对肿瘤和匹配的健康结肠组织进行 RNA、全外显子组、深层 T 细胞受体和 16S 细菌 rRNA 基因测序，补充与肿瘤全基因组测序以进一步表征微生物组[7]。
图11 结肠癌患者的全基因组与微生物组的关联分析[7]
微生物组在人体内的免疫微环境下的研究让微生物组的医疗应用呼之欲出，许多生物公司陆续进场抢占先机。
Second Genome 公司专注于 开发微生物组相关的生物制品和治疗方法 ，利用人体内的微生物群落来治疗疾病。
uBiome 公司 提供基于DNA测序的微生物组分析服务 ，可以通过分析肠道、口腔、皮肤等部位的微生物群落来了解人体健康状况。
Viome 公司 提供个性化的微生物组分析服务， 通过分析肠道微生物群落来了解人体健康状况，并提供针对性的饮食和生活建议。
图12 代谢组学领域的代表公司
展望
Guide View
组学的出现让生物学从冷兵器时代直接跃升至现代化信息时代，它通过对多种技术进行整合，相对于组学出现前的时代能够光速解决医学类问题和工业类问题。组学技术也使生物学发展出了一条不同于传统的假说-验证思路，通过高通量技术迅速发现新的研究思路和研究方向，火箭式推动了生物学的前进。 组学的发展使得人们可获取海量的生物数据，并且通过与神经网络，机器学习和统计学结合对海量数据进行科学的数据挖掘迅速寻找到自己有用的信息 ，为个性化医疗的发展打下了坚实的地基。
参考文献
[1] Miyazawa K, Ito K, Ito M, et al. Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction[J]. Nature Genetics, 2023: 1-11.
[2] Zhang D, Deng Y, Kukanja P, et al. Spatial epigenome–transcriptome co-profiling of mammalian tissues[J]. Nature, 2023: 1-10.
[3] Wasinger V C, Cordwell S J, Cerpa‐Poljak A, et al. Progress with gene‐product mapping of the Mollicutes: Mycoplasma genitalium[J]. Electrophoresis, 1995, 16(1): 1090-1094.
[4] Mitchell D C, Kuljanin M, Li J, et al. A proteome-wide atlas of drug mechanism of action[J]. Nature Biotechnology, 2023: 1-13.
[5] Sinitcyn P, Richards A L, Weatheritt R J, et al. Global detection of human variants and isoforms by deep proteome sequencing[J]. Nature Biotechnology, 2023: 1-11.
[6] Pareek V, Tian H, Winograd N, et al. Metabolomics and mass spectrometry imaging reveal channeled de novo purine synthesis in cells[J]. Science, 2020, 368(6488): 283-290.
[7] Roelands J, Kuppen P J, Ahmed E I, et al. An integrated tumor, immune and microbiome atlas of colon cancer[J]. Nature Medicine, 2023: 1-14.
制作策划
策划：chem / 审核校对：chem、浩浩
撰写编辑：浩浩 / 封面图来源：网络
媒体合作 | 微信号：GuideView2021
投稿转载 |13291812132（同微信）
免责声明：本文仅代表作者个人观点，参考文献如上，如对文中内容有不同意见，欢迎下方留言讨论。如需转载，请邮箱guideview@guidechem.com联系我们。
关注盖德视界
添加小助手
