Cell专栏 | 肠道菌群或为人体“微生物指纹”——宏基因组解读生命奥秘【期刊号:2021年第185卷第9期】

翻译 | 加一

责编 | YYY 风动子


导读

本期Cell发表3篇Previews1篇Review1篇Theory1篇Resource和13篇Articles,其中8篇为新冠相关文章,提及SARS-CoV-2变异体501Y.V2、B.1.351和P.1存在免疫逃逸现象,可见科学界为攻克新冠仍需作出不懈努力。本期Cell封面文章从精准医疗的角度,围绕人体肠道菌群展开多组学研究,提出肠道微生物存在个体特异性。另外,运用肿瘤转录组预测肿瘤治疗的反应,为新药临床试验提供便利,为精准肿瘤学的发展提供理论支持。肿瘤免疫逃逸与肿瘤转移的机制探索,为细胞治疗药物的开发提供有力依据。本期Cell还介绍了基因编辑技术应用于转录调控的新方法及转座子归巢的机制,助力CRISPR相关衍生技术的开发利用。


一、精准医疗

PAPER 01

本篇为荷兰格罗宁根大学医学中心傅静远(Jingyuan Fu)团队发表的Article文章,本期cell的封面文章。基于LifeLines-DEEP队列,研究者四年前后分别获得338名受试者的表型组、血液代谢组、肠道菌群宏基因组等多组学数据进行分析。他们发现肠道菌群存在宿主特异性,以此开发了高精度“微生物指纹”算法,以肠道菌群的遗传构成来准确区分宿主,精确程度高达85-95%。他们分析细菌物种丰度、代谢途径、结构变异和菌株替换的变化,发现其中190个变化与宿主表型相关联,519个变化与血浆代谢物浓度相关联。这些联系主要集中于心脏代谢特征、血浆维生素B和尿毒症。这些现象表明,肠道微生物群可能通过代谢产物影响心脏健康。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.024)
投资预期:宏基因组潜力巨大,多组学成为发展趋势宏基因组,也称微生物环境基因组。宏基因组及多组学整合分析隶属于精准医疗领域。随着组学新技术的涌现和高通量水平的发展,对多组学数据的整合分析成为科学家探索生命奥秘的新方向。疫情时代之下,病原微生物的宏基因组检测顺应了临床对重症感染的迫切需求。人体肠道微生物基因组被称为“人类的第二基因组”,对人体健康有重要影响。宏基因组研究进入多组学时代,肠道微生物组和代谢组联合分析围绕代谢性疾病、神经退行性疾病、恶性肿瘤等疾病展开,克服单一组学研究的局限性,为探索疾病的成因和治疗提供新的思路,为实现疾病早筛提供新的方法。本期Cell提出新颖的“微生物指纹”算法,可能在精准诊疗、法医鉴定、样本溯源等领域具有重要应用价值
核心技术痛点:多组学数据应建立有深度价值的跨组学数据联系
在组学技术不断发展、测序成本不断降低的当下,全基因组、宏基因组、代谢组、表观遗传组等多组学数据以爆发式增长。多组学整合分析的难点已不在于各类数据的获得,而在于建立有深度价值的跨组学数据联系,包括对数据进行深度整合分析、开发并优化深度挖掘信息的算法、提高分析结果的敏感性与准确性等具体手段。
国内投资案例:微远基因获腾讯领投2亿元C轮融资
2021年2月4日,感染领域精准医学企业广州微远基因科技有限公司(以下简称“微远基因”)宣布完成2亿元C轮融资。本轮融资由腾讯领投,中金资本、鼎晖投资、国科嘉和等现有股东共同参与。公开资料显示,微远基因主要专注于基因技术创新与感染精准医疗,目前拥有两大核心技术平台,包括宏基因组测序(mNGS)技术与基因编辑工具(CRISPR-Cas12/13)快速诊断技术。金匙基因C轮融资2.3亿元人民币2020年11月2日,金匙基因完成2.3亿元人民币的C轮融资,该轮投资方为华盖资本、杏泽资本和元生创投,A轮投资人君联资本第三次追加投资。金匙基因深耕感染性疾病基因检测,面向呼吸、血液、消化、感染等学科,定制差异化的宏基因组检测流程和算法,基于三代纳米孔测序推出分子检测产品,提升病原微生物快速检出水平,符合精准医疗在感染性疾病中的发展趋势。

PAPER 02

本篇为美国马里兰州贝塞斯达市国家癌症研究所的Eytan Ruppin团队发表的Theory文章。精确肿瘤学已取得了重大进展,主要是靶向癌症驱动基因的可操作突变。为了获得更多的治疗机会,最近的研究开始探索肿瘤转录组在指导患者治疗中的作用。本篇文献介绍了一种精确肿瘤学框架SELECT(synthetic lethality and rescue-mediated precision oncology via the transcriptome),通过肿瘤转录组及基因相互作用来预测患者对肿瘤治疗的反应。SELECT在35项已发表的涵盖10种不同癌症类型的靶向和免疫治疗临床试验的基础上进行测试,能够预测80%临床试验的结果。该预测方法和代码公开用于学术用途,为未来的前瞻性临床研究奠定了基础。(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.030)

二、肿瘤免疫

PAPER 03

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本篇为英国爱丁堡大学Steven M. Pollard团队发表的Article文章。多形性胶质母细胞瘤(Glioblastoma multiforme,GBM)是一种侵袭性脑肿瘤,目前已有免疫治疗方法在这个领域的应用还没获得成功。研究者将GBM干细胞(GSCs)移植到具有免疫活性的宿主体内,发现了一种获得性的免疫逃避机制——GSCs通过增强免疫抑制肿瘤微环境来逃避免疫清除。从机制上讲,这不是由肿瘤亚克隆的遗传选择引起的,而是由表观遗传的免疫编辑引起的。在免疫攻击后,GSCs中的稳定转录和表观遗传变化得到加强。这些变化启动了一个与骨髓相关的转录程序,导致肿瘤相关巨噬细胞的增加。此外,他们在人间充质亚型GSCs中发现了相似的表观遗传和转录特征。结论是,表观遗传免疫编辑可能通过重塑肿瘤免疫微环境,在最具侵袭性的间充质GBM亚型中驱动获得性免疫逃避程序。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.023)
投资预期:肿瘤免疫前途光明,攻克GBM道阻且长
肿瘤免疫治疗的迅速发展给无数癌症病人带来了生命的希望,在过去30余年的发展历程中,细胞治疗产品百花齐放。但多形性胶质母细胞瘤(GBM)作为最常见的脑肿瘤,侵袭性强,至今没有有效的肿瘤免疫治疗方法,预后极差,五年生存率低于5%。在免疫治疗特异性识别和杀伤的过程中,GBM能表达一系列免疫信号负调控分子,帮助肿瘤完成免疫逃逸,今年2月,麻省总医院丹纳法伯癌症研究所、麻省理工学院和哈佛大学博大研究所的科学家在Cell报道了一个可能用于浸润性胶质瘤的免疫治疗新靶点,他们发现CD161受体的激活会抑制T细胞对肿瘤细胞的反应。本期Cell提出表观遗传免疫编辑也参与肿瘤微环境重塑和免疫逃逸过程,给免疫治疗治愈GBM增加了新的难度和挑战。
核心技术痛点:GBM免疫逃逸机制丰富,亟需创新性疗法GBM
对细胞治疗药物具有强大的耐药性,免疫原性反应弱,通过重塑肿瘤微环境进行免疫逃逸,传统的检查点抑制剂对其不能产生良好的疗效。癌症免疫治疗公司Inovio Pharma于2020年神经肿瘤年会上公布三联免疫疗法II期临床研究阳性结果,包括T细胞激活免疫疗法INO-5401、编码IL-12的免疫激活剂INO-9012联合PD-1阻断性抗体Libtayo。攻克难治性肿瘤需要以基础研究为基石,以创新性药物试验为落脚点,以联合疗法为手段,从而给肿瘤患者带来福音
国内投资案例:优卡迪完成数千万B+轮融资
2021年3月30日,专注于自主创新型CAR-T 2.0产品研发的上海优卡迪生物医药科技有限公司宣布完成数千万B+轮融资。此轮融资由德观资本领投,楷正投资跟投。募集资金将应用于公司首个CAR-T 2.0产品ssCART-19注射液临床试验的推进,多个新产品的IND申报及临床试验的快速启动,以及实体肿瘤应用的新型候选产品的开发和验证。未来优卡迪将始终致力于新一代CAR-T技术的研发,专注于开发更安全、更有效的肿瘤疗法。卡替医疗完成数亿人民币Pre-B轮融资2021年2月10日,专注研究肿瘤浸润淋巴细胞疗法(TIL)的生物技术企业卡替医疗完成亿元级人民币Pre-B轮融资,丰廪资本领投。北京卡替医疗公司是国内唯一拥有创新TIL疗法的人体临床研究数据的企业。公司前期的“超强型TIL”治疗晚期传统治疗无效实体瘤的概念验证(POC)临床研究数据已经展现了令人振奋的成果。其研发的第四代产品“超强型cTIL”仅需采集外周血中的TIL细胞,突破肿瘤组织取材的局限性,拓展了该疗法的适用人群。

PAPER 04

本篇为美国贝勒医学院Xiang H.-F. Zhang团队发表的Article文章。转移被认为是肿瘤发展的最后一步。然而,最近的基因组研究表明,许多转移是由其他转移的进一步扩散引起的。然而,目前尚缺乏相应的临床前模型,其机制尚不清楚。在这篇论文中,研究者使用异种共生和进化条形码系统等方法,证明了骨微环境促进乳腺癌和前列腺癌细胞的进一步转移并建立多器官继发转移。他们发现这种促进转移的作用是由表观遗传重编程驱动的,表观遗传重编程赋予骨扩散的癌细胞干细胞样特性。此外,他们发现EZH2活性增加可介导肿瘤干细胞和转移能力的增加。同样的发现也适用于单细胞来源的群体,表明其机制不同于克隆选择。综上所述,他们的工作揭示了骨微环境在转移发展中的作用,并阐明了驱动终末期多器官转移的表观基因重编程过程,还指出干预肿瘤细胞的表观遗传调控可有效抑制骨微环境介导的继发性转移(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.011)

三、基因编辑

PAPER 05

本篇为加利福尼亚大学Jonathan S. Weissman团队发表的Resource文章。在CRISPR的基础之上,他们提出了一种可编程的转录调控编辑器CRISPRoff,由丧失活性的Cas9蛋白(dCas9)和DNA甲基转移酶融合而成,通过在基因中加入或移除甲基化修饰来控制基因的表达。CRISPRoff瞬时表达可启动高度特异的DNA甲基化和基因抑制,并可通过转录调控诱导多能干细胞分裂分化为神经元。研究者还开发了一种与CRISPRoff功能相反的编辑器,它通过融合DNA去甲基化酶和转录激活因子来逆转基因转录抑制状态,促进基因表达。研究者结合全基因组筛选和染色质标记分析,发现CRISPRoff能够沉默绝大多数基因的sgRNAs,对于缺乏典型CpG岛的基因也同样有效。研究者通过CRISPRoff实现神经元中Tau蛋白表达降低,可能为阿尔兹海默症的预防治疗提供一种可行策略。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.025)
投资预期:CRISPR衍生技术应用广泛,表观遗传修饰大有可为
CRISPR基因编辑技术最初用于位点特异性的基因组编辑,而后科学家们对其进一步探索,开发出用于转录调控的衍生技术。改造得到不具有切割活性的dCas9,在sgRNA的介导下仍可以靶向基因组序列,可有效的激活或抑制编码基因和非编码基因的表达。颇具代表性的CRISPRi和CRISPRa均基于dCas9质粒开发,其中CRISPRi作为新兴技术的代表,凭借其更低的脱靶效应,正在挑战RNAi在基因表达调控中的广泛应用。2015年,Sigma Aldrich推出一款CRISPR表观遗传催化剂,将CRISPR技术的运用拓展到表观遗传学水平。该技术通过乙酰化特定的组蛋白,激活目标基因,实现不改变DNA序列的前提下对基因组进行修饰。本篇文章将表观遗传甲基化修饰与基因转录调控联系起来,有望在CRISPRi/CRISPRa之后,成为下一个商业化使用的基于CRISPR技术的转录调控工具。
核心技术痛点:安全性成为CRISPR表观遗传衍生技术应用的关键点
CRISPR-Cas9技术应用于表观遗传修饰领域,为科学家操纵表观遗传元件带来了前所未有的机会。但安全性仍是CRISPR衍生技术应用的主要问题,其确切水平的脱靶水平还未得到表征。
国内投资案例:博雅辑因完成4亿元B+轮融资
2021年4月21日,以基因组编辑技术为基础的生物医药企业博雅辑因宣布完成4亿元的B+轮融资,这轮融资由正心谷资本领投,博远资本、夏尔巴投资等跟投,博雅辑因现有投资者IDG资本、礼来亚洲基金、红杉资本中国基金等跟投。这是博雅辑因在去年10月B轮融资4.5亿元之后追加的B+轮融资,其公司称追加的这轮融资将被用于推进其以基因编辑技术为基础的产品管线的临床转化,推动产业化发展。辉大基因完成4亿元B轮融资2021年5月17日,由多家全球知名基金共同投资,老股东持续加持。据了解,本轮融资将用于支持公司技术创新,产品临床前研发与临床注册,药物转化中试平台建设以及完善生产与临床开发团队。辉大基因创始人、董事长兼首席科学顾问为杨辉博士在基因编辑领域深耕多年,建立了一种被命名为GOTI的新型脱靶检测技术,并且发明了不会产生误伤的新一代基因编辑技术,从而使基因编辑更加安全、高效,为其进入临床提供了重要的安全保障。

PAPER 06

 本篇为美国Broad研究所的张锋团队发表的Article文章。文中对不同类型CAST系统的归巢机制进行了系统研究,结果发现了两种截然不同的归巢机制:其中V-K型CAST系统依赖于CRISPR阵列之外的异位短链crRNA实现归巢,而I-B型CAST系统则依赖于TnsD蛋白实现归巢。这一研究让我们对CAST系统的多样性有了更深入的认识,也为未来的改造和应用奠定了基础。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.006)

四、其他文章摘要赏析

PAPER 07

 本篇为加州理工学院的Michael Elowitz团队发表的Review文章。合成生物学的一个基本挑战是创造出能够对复杂细胞功能进行编程的分子环路。蛋白质可以相互结合、分裂、进行化学修饰,并与内源性途径直接且快速地偶联,所以基于蛋白质的调控设计可以进一步拓展合成生物学的工程能力。最近的工作已经开始解决这一挑战,集中在诸如正交性和可组合性等原则上,这些原则允许从一组有限的工程蛋白质组分构建不同的环路功能。这些方法正在使能够感知、传输和处理信息的分子环路工程化,能够动态控制细胞行为,并启用新的治疗策略,建立一个强大的编程生物学范式。(摘要)(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.007)

PAPER 08

 本篇为美国霍华德·休斯医学研究所的Jennifer Lippincott-Schwartz团队发表的Article文章。哺乳动物早期分泌途径的动态纳米解剖学揭示内质网到高尔基体的运输是由一个相互交织的微管系统支持的,该系统由COPII和COPI调节,能够沿着微管延伸微米,同时仍然通过狭窄的颈部与内质网相连。细胞内的多种功能依赖于各种蛋白质精确运输到其目的细胞器。对于分泌途径(约占所有蛋白质的30%),进行第一次运输(从内质网到高尔基体)的物理性质尚不清楚。研究者利用全细胞、聚焦离子束扫描电子显微镜、冷冻结构照明显微镜和活细胞同步货物释放方法,提供了哺乳动物细胞早期分泌室的三维动态视图,具有各向同性分辨率和精确的蛋白质定位。内质网不是单独的囊泡,而是产生一个由相邻的脂质双层(内质网出口部位)组成的复杂、交织的管状网络,用于蛋白质输出。COPII定位于这个颈部区域并动态调节来自内质网的蛋白质,而COPI的作用更为远端,护送加速分离的管状实体通过微管定向运动并连接至高尔基体。(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.035)

PAPER 09

本篇为美国国家标准与技术研究院Elizabeth A. Strychalski团队发表的Article文章。为了研究JCVI-syn3.0细胞中惊人的形态变异,研究者开发了表征细胞增殖并鉴定影响细胞形态基因的方法。微流控化学恒温器可以观察导致不规则形态的内在细胞动力学。JCVI-syn3.0中不具有19个基因的基因组产生了JCVI-syn3A,其形态与JCVI-syn1.0相似。研究者进一步鉴定了这19个基因中的7个,包括两个已知的细胞分裂基因ftsZ和sepF、一个未知底物的水解酶,以及四个编码未知功能的膜相关蛋白的基因,而恢复与 JCVI-syn1.0表型相似的表型需要这些基因的共同存在。这些结果强调了基因组最小细胞中细胞分裂和形态的多基因性质。据介绍,基因组最少的细胞,例如JCVI-syn3.0,提供了阐明核心生理过程的基础基因的平台。尽管这种最小的细胞包含了种群增长所必需的基因,但其单个细胞的生理学仍不明晰。(原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008)