Cell专栏 | 打破传统,AI新算法赋能单细胞多组学分析平台【期刊号:2021年第184卷第13期】

翻译 | 三金

责编 | YYY 风动子


导读

本期Cell发表1篇Review、12篇Articles和3篇Resource,主要聚焦单细胞多组学整合分析、人类早期发育的免疫启动、全球城市微生物基因组图谱和帕金森新锐靶点-LRRK2。单细胞多组学分析将是单细胞测序技术下一个发展方向。同时,LRRK2靶点的开发有望实现帕金森药物零的突破。除此之外,对于新冠病毒的研究和疫苗的开发仍在本期占据重要位置。

 


一、单细胞多组学整合分析

PAPER 01

本篇来自纽约大学与纽约基因组中心的Rahul Satija和纽约基因组中心创新实验室Peter Smibert的联合团队发表的Resource 文章。单细胞多组学整合分析作为单细胞基因组学的前沿方向,致力于开发通过多组学数据定义细胞状态的计算方法。作者引入了“加权最近邻” (WNN) 分析框架,整合单个细胞内测量的多组学数据,以此获得关于细胞状态的联合定义。利用CITE-seq技术和优化的228个抗体组合对21.1万个人体PBMC进行了单细胞多组学测序,使用WNN分析方法构建了一个人体PBMC多组学参考图谱 (human PBMC multimodal reference atlas)。这种分析方法极大地提高了对淋巴细胞状态的分辨能力,能够识别和验证以前未报道的淋巴细胞亚群。此外,作者展示了如何利用这一参考图谱来解析新的数据集,并解释了冠状病毒疫苗接种与其免疫反应的相关性。这种方法代表了一种超越转录组的普适策略来分析单细胞多组学数据集。随着单细胞转录组测序技术日臻成熟,在解析人体免疫细胞的多样性方面发挥着至关重要的作用,而单细胞多组学技术的发展将为单细胞分析提供新的思路。本文提供新的单细胞多组学数据整合分析方法,为定义细胞类型的研究提供了重要工具。

(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.048

 

投资预期:单细胞多组学分析缩短基础研究与临床转化之间距离,未来发展不容小觑

Nature Methods将单细胞多组学分析选为了“Method of the Year 2019”。多维度多组学的单细胞检测技术相比传统单细胞测序,通过提高细胞状态的分辨能力来进一步定义细胞类型,更深入地挖掘细胞功能和临床特征之间的关系。该技术帮助缩短基础研究与临床转化之间距离,具有广阔的应用前景,未来发展不容小觑。

 

核心技术痛点:基因组覆盖度低以及多组学整合计算方法不完善是单细胞多组学分析的难点

目前,高通量单细胞多组学分析普遍面临基因组覆盖度较低的问题,并且缺乏能够同时检测组蛋白修饰、RNA表达量、转录组以及蛋白组的技术,解决这些问题需要进一步的方法优化以及新技术开发 。

 

国内投资案例:2021年5月,百奥智汇(Analytical BioSciences)顺利完成A4轮融资

2021年5月,百奥智汇(Analytical BioSciences)宣布顺利完成A4轮融资。由红杉资本中国基金、IDG资本、松禾资本、春华创投参与了本轮融资。百奥智汇成立于2018年12月,致力将单细胞机理研究平台和生物信息学大数据/AI平台充分应用于癌症等重大人类疾病的治疗和诊断,通过已建立的并高速持续完善的人类疾病的单细胞精准图谱,发现新的治疗和诊断靶标、产生突破性的治疗药物。百奥智汇自主开发了多种快速、高效的单细胞组学分析方法,其自主开发的算法流程与常规流程相比,极大程度地缩短了分析单细胞转录样本所需要的时间,同时其SciBet™快速细胞分类算法也是业界领先的单细胞分类器。

 


二、人类早期发育过程中微生物暴露引发胎儿免疫启动

PAPER 02

本篇来自于新加坡科技研究局等单位的研究人员发表的Article文章。人类胎儿免疫系统在妊娠期早期开始发育,然而,导致胎儿免疫启动的因素仍然难以捉摸。作者探索了子宫内微生物的潜在暴露对胎儿记忆性T细胞活化的影响。通过使用16S rRNA 测序分析胎儿器官中的微生物,并在妊娠中期的胎儿肠道、皮肤、胎盘和肺中检测到含量低的相似微生物信号。同时在胎儿组织中鉴定了几种活的细菌菌株,包括葡萄球菌和乳杆菌,它们在胚胎肠系膜淋巴结中诱导记忆性T细胞的体外活化,支持微生物暴露在胎儿免疫启动中的作用。最后,研究团队使用扫描电子显微镜(SEM)和RNA原位杂交 (RNA-ISH),在第 14 周胎儿肠腔内观察到细菌样结构和真细菌 RNA 的离散定位,证明了在妊娠中期胎儿肠腔内细菌的直接存在。这些发现表明,在妊娠中期,细菌的直接空间定位在发育中的胎儿肠腔内。这对理解人类发育和在出生前建立一个多样化的免疫系统具有重要意义。

(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.039

 

投资预期:COVID-19大流行,加速流式赛道国产替代

该文章利用质谱流式方法建立了胎儿免疫系统和不同器官微生物的相关性。CyTOF为流式荧光检测新技术。2018年(含)以来,包括红杉、斯道、北极光等TOP VC先后涌入流式赛道纷纷布局,国产流式领域的厂家如雨后春笋般涌现。新冠疫情爆发的2020年,无疑加速了流式领域的发展。但目前国内流式细胞仪厂商还集中在中低端,亟需“仰望星空”的后来者在资本的大力支持下快速填补国内仪器厂商的空白。


国内投资案例:2021年6月,宸安生物完成股权融资

宸安生物成立于 2016 年,专注于单细胞水平的精准诊断技术研发和临床应用。宸安生物已经研发出国内首台质谱流式设备,能够提供包括硬件、配套试剂盒以及高维数据可视化分析套件在内的一体化完整解决方案。目前,公司的质谱流式技术已经应用于肿瘤免疫、感染免疫、自身免疫、神经炎症、T 细胞抗原发现等领域。

 


三、全球城市微生物宏基因组图谱和对抗生素的耐药

PAPER 03

本篇来自于威尔康奈尔医学院Christopher Mason教授发表的Article文章。作者展示了一个来自60个城市公共交通系统的4728个全球宏基因组样本集。这是全球第一个系统的城市微生物生态系统目录。该地图集提供了微生物菌株注释、地理分布、功能特征、抗微生物耐药性(AMR)标记和遗传因素,包括10928种病毒、1302种细菌、2种古细菌和838532种参考数据库中未发现的CRISPR序列。鉴定了4246种已知的城市微生物,并在97%的样品中发现了31种与人类共生生物不同的物种。作者发现不同城市的AMR基因在类型和分布密度上差异很大。受气候和地理差异的驱动,城市显示出不同的微生物分类特征。这些结果构成了一个能够发现新型生物体和基因的高分辨率的全球宏基因组图谱,在公共卫生和法医领域有巨大应用价值。这项新研究对检测已知和未知的微生物感染暴发,以及研究不同城市环境中耐抗生素微生物的流行情况具有重要意义,它还有助于得到微生物生命进化的新发现。

(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.002

 

投资预期:在感染学科、呼吸病领域,宏基因组测序转向临床诊断应用,行业发展走上快车道

宏基因组测序,是对患者样本中微生物和宿主遗传物质(DNA和RNA)的全面分析。如今它正迅速从科学研究转向临床诊断应用,尤其擅长鉴别罕见、新发、难以检测和混合感染的病原体。2019年底,我国学者就是借助mNGS技术,仅仅数天时间就确认新冠肺炎是由一种新的冠状病毒引起的呼吸道传染性疾病,而2003年确认SARS的病原时,我们用了5个月的时间。目前,在诊断不明原因的感染性疾病方面,mNGS技术表现突出,在药物敏感性预测中具有巨大潜力,成为优化治疗方案和抗菌药物管理的重要辅助检测工具。由此,许多医生认为mNGS是解决临床感染难题的新利器,促使mNGS的临床应用走上了快速发展之路。

 

核心技术痛点:mNGS临床实验室常规应用以及方法合规仍存在巨大挑战

现阶段临床实验室常规应用mNGS仍存在一些挑战,受限于检测原理和成本,其检测信噪比低、检测有效数据少,导致了检测灵敏度和特异性受限、检测成本高昂、以及无法普及应用等问题。同时方法学验证、质量控制、标准化和报告解读等层面也需要深入优化。2021年5月《Nat Methods》也提出精准的微生物鉴定和丰度计算对于宏基因组学分析至关重要。由于宏基因组分类工具不一,其标准化研究仍然面临巨大困难。

 

国内投资案例:

茵康莱正计划A轮融资,预计融资数千万元人民币

茵康莱成立于2015年1月,由江山博士领衔的专家团队创建,中国科学院曾参与投资。公司拥有独创的知识产权和技术能力,是一家基于高通量基因检测与大数据分析技术进行临床分子诊断产品研发销售与技术服务的医学检验高科技公司。公司拥有全球独创的全谱病原微生物检测平台MicrobDx®,为感染疾病的诊疗带来全新的病原微生物临床检测方案。目前,公司主要业务领域包括:感染疾病诊断、妇产及生育健康、肿瘤个体化治疗及其他疾病的个体化用药指导等。

 


四、帕金森新锐靶点—全长人LRRK2的结构分析

PAPER 04

富亮氨酸重复激酶2(LRRK2)的突变体通常与家族性和散发性帕金森病(PD)的发病机制有关。LRRK2调控膜状细胞器和微管表面形成纤维丝结构的关键细胞过程。然而LRRK2的这些生物学作用背后的分子基础仍然是谜。在这里,作者确定了全长人类LRRK2的高分辨率结构,揭示了其架构和关键结构域间支架元件,用于合理化致病突变。LRRK2的激酶结构域在非活性状态下被捕获,这种构象也最常见于PD相关突变体LRRK2G2019S。这种构象为别构抑制剂的结构设计提供了框架。作者进一步确定了COR介导的LRRK2二聚体和点突变在细胞中的结构,对LRRK2的生理和病理研究具有一定借鉴意义,并为未来帕金森病的干预治疗提供了理论基础。

(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.004

 

投资预期:帕金森治疗新锐LRRK2小分子激酶抑制剂引关注

帕金森病作为一种神经退行性疾病,目前尚无治愈方法。LRRK2突变是帕金森病最常见的遗传危险因素之一,基因编码一种名为Dardarin的蛋白,该蛋白会影响溶酶体的运作,而溶酶体通常被认为是细胞的垃圾处理器,突变会阻碍溶酶体功能,并可能导致神经退化。

 

核心技术痛点:帕金森药物开发面临的两大挑战—病因不明和药物难于穿越血脑屏障

由于明确的病因至今没有定论,帕金森药物只针对“症状”,难以根治。另外,中枢神经系统疾病药物的开发常受限于血脑屏障,入脑药物的开发是帕金森药物研发难以规避的技术困局。

 

国外投资案例:

2020年8月,渤健公司向Denali支付5.6亿美元的前期付款,共同开发和推广Denali的LRRK2小分子抑制剂DNL151

2020年8月6日,渤健公司和Denali Therapeutics达成一项协议,共同开发和推广Denali的LRRK2小分子抑制剂DNL151,用于治疗帕金森病。Denali的I/Ib期数据支持DNL151是潜在的first in class口服疗法,可能减慢帕金森病的疾病进展。渤健将向Denali支付5.6亿美元的前期付款,并对Denali进行4.65亿美元的股权投资。

 


五、其他文章摘要赏析

PAPER 05

本篇来自丹麦哥本哈根大学和南丹麦大学的Zachary Gerhart-Hines研究小组发表的Article文章。产热脂肪细胞在治疗上消耗能量,这种能力通常是由β-肾上腺素能G蛋白偶联受体(GPCRs)的配体依赖性激活冷诱导产生。在这里,作者通过组成型活性受体GPR3揭示了GPCR介导的脂肪产热的另一种模式。实验表明,GPR3的N末端赋予内在的信号活性,导致在没有外源配体的情况下持续的Gs偶联和cAMP产生。因此,Gpr3的转录诱导代表了与常规Gprs配体结合平行的调节作用。仅增加产热脂肪细胞中Gpr3的表达就足以促进能量和反活性代谢酶产生。Gpr3转录受到脂肪分解信号的冷刺激,膳食脂肪增强Gpr3依赖的产热作用,以增强对热量过剩的反应。

(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.037

 

PAPER 06

本篇文章为清华大学,上海科技大学等多单位合作,饶子和,娄智勇及Gao Yan共同通讯在Cell 在线发表的Article文章。mRNA的加帽和校对在新型冠状病毒复制和转录中起着重要作用。在这里,我们展示了新型冠状病毒复制-转录复合物(RTC)的冷冻-电镜结构,其形式被鉴定为Cap(0)-RTC,其偶联了由nsp12 NiRAN、nsp9组成的共转录封闭复合物(CCC),双功能nsp14具有N端外核糖核酸酶(ExoN)和C端N7-甲基转移酶(N7-MTase),并且nsp10的nsp14辅因子。Nsp9和nsp12 NiRAN将nsp10/nsp14招募到Cap(0)-RTC中,形成N7-CCC,在前mRNA的末端产生Cap(0)(7MeGppA)。冷冻电镜观察到的Cap(0)-RTC的二聚体形式表明nsp14外显子的反式回溯机制有助于与聚合酶nsp12协同校对核糖核酸。这些结果为理解新型冠状病毒mRNA的共转录修饰提供了结构基础。

(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.033)

 

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