研究課題的研究方法有哪些研究方法有哪些

角頭杰出的研究工具和項(xiàng)目，我們可以找到一些成功的常見方法。
當(dāng)被問(wèn)及他的專長(zhǎng)時(shí)，王開航的回答很簡(jiǎn)單:“工匠” 。畢竟，他在加州理工學(xué)院的大部分工作都與制作東西有關(guān)，盡管不是用錘子和釘子。王的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了分子工具，包括一個(gè)系統(tǒng)——生物學(xué)家可以通過(guò)編程將長(zhǎng)的合成DNA鏈轉(zhuǎn)移到細(xì)菌細(xì)胞中[1] 。經(jīng)過(guò)再思考，王給出了一個(gè)更科學(xué)的答案:合成生物學(xué)還是基因組工程。他說(shuō):“基本上，我們所有的努力主要是由一個(gè)基本目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的，那就是創(chuàng)造生活。
王力可，當(dāng)手頭的工具不足時(shí)，許多生物學(xué)家會(huì)尋找材料、合作者或不同學(xué)科的不同方法。這導(dǎo)致了一種全新的命名方法或聯(lián)盟，如“擴(kuò)增顯微術(shù)”或“基因組計(jì)劃-寫” 。其中一些方法或聯(lián)盟因其技術(shù)能力和突出的聲譽(yù)在科學(xué)家中引起轟動(dòng) 。

文章插圖

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即將到來(lái):人類細(xì)胞圖譜。來(lái)源:改編自蓋蒂。
在科羅拉多州立大學(xué)研究科學(xué)修辭學(xué)的埃里卡·西曼斯基說(shuō)，一個(gè)領(lǐng)域或工具的朗朗上口的名字可以為研究人員創(chuàng)造一個(gè)探索的概念框架。她說(shuō):“就像顯微鏡限制了我們能用它看到的東西一樣，我們只能‘看到’那些有名字的東西。“嘗試用新的框架來(lái)思考工作有時(shí)非常有效，因?yàn)樗蜷_了空空間，讓我們可以想象新的可能性。”
在這篇文章中，《自然》探索了過(guò)去15年中的五項(xiàng)著名技術(shù) 。有的開辟了新的研究領(lǐng)域或獲得了資金支持；有的加強(qiáng)了全球合作，或者在研究中發(fā)現(xiàn)了不同于初衷的新目標(biāo) 。無(wú)論是揭示細(xì)胞的功能，催生公司和療法，還是在疫情期間為公共衛(wèi)生決策提供信息，這五項(xiàng)技術(shù)都在科學(xué)史上留下了偉大的印記。
表轉(zhuǎn)錄組學(xué)
像基因組DNA一樣，信使RNA可以攜帶改變其功能或命運(yùn)的化學(xué)標(biāo)記，如甲基或糖基。這種修飾并不統(tǒng)一，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些mRNA高度甲基化，而另一些則不是，這表明了這些標(biāo)記的生物學(xué)功能。2012年，韋爾康奈爾醫(yī)學(xué)院的RNA生物學(xué)家Samie Jaffrey和其他人開發(fā)了一種方法來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)錄組中常見的特定mRNA甲基化標(biāo)記(所有RNA都是從細(xì)胞或生物中轉(zhuǎn)錄出來(lái)的)，命名為m6A[2] 。
這項(xiàng)研究的合著者克里斯托弗·梅森也在韋爾科姆醫(yī)學(xué)院工作。他創(chuàng)造了“表觀基因組學(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)解釋研究小組的假設(shè)，即甲基標(biāo)記調(diào)節(jié)mRNA轉(zhuǎn)錄物的活性，從而表明為什么蛋白質(zhì)水平并不總是與編碼它們的轉(zhuǎn)錄物的豐度相匹配。“這可能是基因編碼的新水平，非常有吸引力。”杰弗瑞說(shuō) 。新名字讓其他人更容易理解這個(gè)概念。
在過(guò)去的幾年里，表觀基因組學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域，這需要特別的資金、會(huì)議和合作。西班牙巴塞羅納基因組調(diào)控中心(CRG)的RNA生物學(xué)家Eva Maria Novoa Pardo說(shuō):“在某種程度上，一個(gè)新詞的產(chǎn)生導(dǎo)致了整個(gè)研究小組的出現(xiàn) 。”
Jaffrey和Mason早期的方法是用m6A抗體分離出長(zhǎng)度為100-200個(gè)核苷酸的修飾RNA片段，然后通過(guò)測(cè)序進(jìn)行鑒定。后來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將抗體與底物交聯(lián)，然后沉淀抗體結(jié)合的RNA片段，精確定位甲基化位點(diǎn)，從而在單核苷酸水平上生成甲基化mRNA的第一張圖譜。這有助于識(shí)別另一種被修飾的分子，稱為核仁核糖核酸[3] 。“我們現(xiàn)在開始認(rèn)同這樣一種觀點(diǎn)，即m6A的主要功能之一是標(biāo)記RNA以實(shí)現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)，”Jaffrey說(shuō)，這對(duì)于細(xì)胞改變和適應(yīng)環(huán)境的能力至關(guān)重要。
隨后，科學(xué)家開發(fā)了能夠在特定序列上切割未甲基化核糖核酸的酶。魏茨曼科學(xué)研究所(RNA Israel)的開發(fā)人員和RNA生物學(xué)家施拉格·施瓦茨(Schraga Schwartz)可以使用這一工具，不僅檢測(cè)特定位點(diǎn)是否被修飾，還可以檢測(cè)帶有甲基化基序的轉(zhuǎn)錄物的百分比。當(dāng)Schwartz等人將其應(yīng)用于整個(gè)轉(zhuǎn)錄組時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)基于抗體的技術(shù)遺漏了近75%的修飾位點(diǎn)，表明其靈敏度有限[4] 。“這個(gè)結(jié)果令人驚訝，”他說(shuō) 。“過(guò)去有一種方法，但現(xiàn)在我們有兩種方法可以更全面地看待這個(gè)問(wèn)題。”
如今，表觀基因組學(xué)研究人員可以使用納米孔測(cè)序儀直接讀取修飾的核糖核酸。與傳統(tǒng)測(cè)序儀需要先通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄將RNA轉(zhuǎn)化為DNA不同，這些儀器通過(guò)蛋白質(zhì)納米孔傳遞RNA分子并產(chǎn)生特定的電流，然后對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行解碼得到RNA序列。過(guò)去，解碼當(dāng)前信號(hào)的測(cè)序算法經(jīng)常誤讀甲基化的m6A核苷酸。因此，2019年，Novoa和其他人設(shè)計(jì)了一種算法(今年早些時(shí)候更新了[5])，利用這些誤差來(lái)預(yù)測(cè)哪些位點(diǎn)攜帶甲基化核苷酸。她說(shuō):“對(duì)天然RNA進(jìn)行測(cè)序是可能的(不必先將其反轉(zhuǎn)錄成DNA)，這為轉(zhuǎn)錄組打開了一幅不偏不倚的畫面。
人類細(xì)胞圖譜
隨著2003年人類基因組測(cè)序的完成和研究單細(xì)胞的新工具的出現(xiàn)，科學(xué)家們開始懷疑是否有可能繪制出每個(gè)人類細(xì)胞的獨(dú)特位置、行為和發(fā)育。英國(guó)韋爾科姆·桑格研究所的遺傳學(xué)家薩拉·特希曼和美國(guó)南舊金山基因泰克公司的計(jì)算生物學(xué)家阿維夫·雷蓋夫就是其中兩人。
2016年底，Teichmann、Regev等人聚在一起討論這個(gè)想法。人類細(xì)胞圖譜項(xiàng)目誕生了，這是一個(gè)通過(guò)單細(xì)胞方法繪制每個(gè)人類細(xì)胞、組織和器官的結(jié)構(gòu)、遺傳和生物學(xué)圖譜的項(xiàng)目。該組織強(qiáng)調(diào)開放和協(xié)作的方法:任何人都可以參與，聯(lián)盟使用廣泛的分子和計(jì)算方法來(lái)收集信息。
在CRG研究單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)并領(lǐng)導(dǎo)該聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)工作組的Holger Heyn說(shuō):“沒(méi)有一種金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)能達(dá)到所有目的。“每種方法都有錯(cuò)誤。我們集成的技術(shù)越多，錯(cuò)誤就越少。”
在2020年的一項(xiàng)研究中，Heyn等人比較了一組常見參考樣本中的13種單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)，并根據(jù)它們尋找細(xì)胞特異性標(biāo)記的能力進(jìn)行了評(píng)估[6] 。他們發(fā)現(xiàn)結(jié)果差異的主要來(lái)源是樣本中細(xì)胞的大小。“我們的目標(biāo)不是競(jìng)爭(zhēng)，而是決定通過(guò)每種技術(shù)可以獲得什么信息，”Heyn說(shuō) 。
人類細(xì)胞學(xué)聯(lián)盟目前在77個(gè)國(guó)家擁有近2200名成員。他們分析了來(lái)自14個(gè)主要器官的約3900萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，發(fā)表了近80篇文章，而且數(shù)量還在增加。
此外，這些數(shù)據(jù)也有助于解開新冠肺炎之謎。2020年初，聯(lián)盟成員收集了26個(gè)已發(fā)表和未發(fā)表的數(shù)據(jù)集，以了解新型冠狀病毒冠狀病毒是如何侵入肺組織的。他們繪制了病毒進(jìn)入組織(包括鼻、口和眼等)時(shí)使用的細(xì)胞表面受體。) [7].從那以后，世界各地的研究人員都使用這個(gè)圖譜來(lái)了解感染過(guò)程。Teichmann說(shuō)，它甚至有助于為公共衛(wèi)生決策提供信息，例如要求人們戴口罩的政策。她說(shuō):“這場(chǎng)疫情對(duì)人類細(xì)胞圖譜項(xiàng)目來(lái)說(shuō)確實(shí)是革命性的。\"它顯示了細(xì)胞圖譜的價(jià)值——即使它仍然是一個(gè)早期和不完整的圖譜.\"
膨脹顯微成像
盡管許多對(duì)顯微鏡分辨率著迷的研究人員專注于構(gòu)建更好的硬件，但神經(jīng)科學(xué)家埃德·博伊登采取了不同的策略。他和麻省理工學(xué)院的同事一起設(shè)計(jì)了一種叫做膨脹顯微鏡的技術(shù)，可以像給氣球充氣一樣膨脹細(xì)胞和組織。
在這種方法中，一種叫做丙烯酸酯的單體被注入樣品中。加水會(huì)導(dǎo)致單體聚合和膨脹，當(dāng)它膨脹時(shí)，細(xì)胞成分會(huì)被推開。在早期，細(xì)胞會(huì)破裂或不均勻地膨脹。然而，通過(guò)在聚合前添加酶來(lái)軟化組織，研究人員可以將小鼠腦組織擴(kuò)大到原始大小的4.5倍[8] 。兩年后，該團(tuán)隊(duì)將這種方法擴(kuò)展到十幾種類型的組織，其中一些可以擴(kuò)展16倍[9] 。博伊登說(shuō):“這項(xiàng)技術(shù)只有在物理放大比例正確的情況下才有價(jià)值。
今年，Boyden團(tuán)隊(duì)利用這一概念定位組織中的特定RNA，這是一個(gè)名為空intertranstomics的子領(lǐng)域。他們首先擴(kuò)展了小鼠腦組織的一部分，然后對(duì)錨定的核糖核酸進(jìn)行原位測(cè)序[10] 。