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[转录组] 新技术、多组学贯穿到底为科研人员带来什么价值?

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    发表于 7 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
    新组学、新技术爆炸的时代
    高通量测序已经出现十年有余,从最初的基因组重测序、转录组测序发展到现在五花八门的组学测序,比如我们以前罕有听说的RNA甲基化组、翻译组、调控组(Regulomes,其实就是基因组开放性研究)也开始热门起来。总之各种“组”把中心法则围个水泄不通,并且未来还会继续有新的组学不断冒出来。

    当然,各种组学划分,更多是从生物学意义的角度考虑。从实验技术的角度来看,各种组学本质上还是对中心法则的3类物质开展检测——DNA、RNA、蛋白。例如,以翻译组(Ribo-seq)为例,研究的是与核糖体结合的正在翻译的RNA,从而实现对翻译速度和翻译量的检测。从检测的目标物质来看,翻译组检测的依然是RNA,与RNA-seq属于同一大类。

    哪怕是旧的组学,也不是一成不变。技术的革新,可能会让这些组学焕发新生。比如,转录组测序最普通的组学技术之一。但随着以10X Genomics技术为代表的单细胞检测技术发展,单个细胞水平检测RNA表达变得非常容易。于是,RNA-seq技术在单细胞研究这个赛道上又成为新的热点。


    图1 目前热门的一些新的组学检测技术



    那么,怎么来定义新技术呢?任何产品/技术都有各自的生命周期,组学测序技术也是如此(图2)。一个技术如果还处于探索或成长阶段,还没有被最广泛的应用,那么就可以被定义为新技术。在探索期的技术,由于技术上不稳定,如果使用这样的技术可能面临较多的不确定性,风险较高。

    而成熟期的技术,例如常规转录组技术,虽然稳定,但技术本身没有太多创新性。尝试处于成长期的新技术,可能是大部分生命科学研究人员较好的选择。一方面,这些技术已经基本稳定,技术风险较小;另一方面,应用该技术的相关研究依然较少,所以技术上依然有较好的创新性。



    基迪奥新书《基因表达调控—新组学技术介绍与应用》主要内容围绕目前市场上处于成长期的新组学技术来开展。这些处于成长期的新技术包括:
    1) 现在大热的单细胞测序技术:10X Genomics Single cell seq
    2) 研究基因组开放性变化的ATAC-seq
    3) 非模式物种CHIP-seq的替代性技术DAP-seq
    4) 研究RNA水平m6A修饰的m6A-seq
    5) 研究RNA翻译水平的Ribo-seq
    6) 检测样本中短肽的多肽组技术


    图2 技术/产品生命周期示意图


    当然,技术总是不断迭代的。新技术随着成熟,单价会不断下降,应用场景常规化、工具化,最终都会变为成熟的技术。比如,全转录组、三代全长转录组、DNA甲基化属于前几年热门的新技术/组学,现在慢慢趋于成熟化。当然,不是说成熟技术的价值就低于新技术。这些成熟技术的应用范围最广,依然在为用户解决大量问题。

    例如,全转录组依然是研究转录组调控最清晰、便捷的切入点;三代全长转录组依然在为没有参考基因组的物种提供着最优质的参考序列。而且,成熟技术与新技术结合,还可能玩出新的花样。比如,全转录组检测的环状RNA和lncRNA已经属于“常规武器“。但如果全转录组和Ribo-seq结合,就可以检测可翻译的环状RNA以及lncRNA,一下子成了目前具有创新性的”前沿武器“。

    总之,这本书介绍都是目前在组学研究最实用的新技术和次新技术,既有“小甜甜”,又有不久前是“小甜甜”的“牛夫人”。

    这些新技术可以为我们带来什么

    新技术给我们带来的价值,可以从两个角度来看。

    1)功利的角度——更容易发好文
    2)科研价值的角度——更好解决生物学问题

    先说说新技术对发好文章的意义。一篇好的SCI论文,必然有超越其他文章的亮点之处。常见的好文章有四种驱动。

    1设计驱动

    这要求样本特殊,设计巧妙。但这种情况,可能是可遇不可求的,没有普适性。

    2生信驱动(即干实验驱动)

    这类文章一般要求样本量大,生信精细。这两点要求同样没有普适性。样本量大意味着巨大的测序费用,不是每个实验室都可以承担。而生信的精细解析,对于完全没有生信背景的人来说,难度比较大(公司虽然可以提供尽可能优质的服务,但如果客户合作方有一定的基础,这些大项目的进展会快很多)。

    3分子实验驱动(即湿实验驱动)

    这要求功能实验做的漂亮。但这依赖大量的分子功能机制实验,非常耗费时间。

    4新组学技术驱动

    利用新技术作为亮点支撑,新技术+少量分子实验,干湿结合,快速出文章。
    对大部分具备一定科研经费,一定分子实验基础和组学基础(了解相关知识和理论,但不一定懂生物信息分析)的人来说,第四种驱动可能是发好文章的高效选择。

    再说说新技术对解决具体生物学的价值。在过去,谈多组学贯穿,好像更多是一句噱头。但随着围绕中心法则的各种组学检测手段不断丰富,我深刻感受到以前基于单一组学(例如,转录组)得到的结论,可能是只见树木不见森林。例如,某些基因在转录水平的变化,不一定是最终的结果。因为mRNA还会受RNA表观修饰(例如,m6A修饰),受翻译速率调控(翻译组)以及蛋白修饰等,可能最终这个基因在细胞中的效应和mRNA丰度之间有巨大差异。

    以在本书《m6A研究套路与项目设计》这篇文章中解读的一篇文章为例。这篇文章发现在白血病样本中,METTL3表达上调,说明METTL3可能是促癌基因。但如果研究METTL3导致的下游基因表达变化,仅检测转录组,会发现促癌相关的基因都下调了,那么METTL3是抑癌才对。那么,这个研究就会陷入困境,因为两个方面得到的信息是自相矛盾的。直到检测了翻译组,才豁然开朗。

    原来,尽管m6A修饰导致c-MYC、BCL2等癌基因转录下调(转录组),但却也导致这些转录本的翻译效率提高了(翻译组),最终的效应就是这些癌基因的蛋白表达水平依然是升高的(蛋白组)。在这个案例里,信息不足(仅有转录组数据)而导致的令人矛盾的疑问,只能依靠多个不同组学(RNA表观修饰、翻译组、蛋白组)才能得出满意的回答。


    图3 多组学有利于完整解析整个基因网络的调控过程



    因此,我们过去研究中矛盾的地方,没有结论的地方,可能就是因为检测手段不够丰富,信息不完整导致的。比如,环状RNA在体内种类很丰富,但大部分环状RNA表达丰度很低。目前对环状RNA研究大部分集中在海绵效应以及由此产生的ceRNA作用。但如果仅仅以海绵作用吸附miRNA作为环状RNA的主要功能,那么大部分环状RNA的功能可以忽略不计(丰度太低的环状RNA吸附不了多少miRNA)。

    但理论上,从进化的角度来说,细胞内不应该留下如此多没有功能的东西(进化是不断精简去冗余的过程)。但近几年发现大量环状RNA原来可以翻译蛋白质(可以利用翻译组和多肽组检测),那么就为解释那些低丰度环状RNA的功能提供了新的思路。

    总之,这本书有新技术、有新思路,希望能帮助你在生命科学研究领域多打开一扇窗户。

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