「拜谱聚焦」独家视角解析,一文了解12月各大期刊关于多组学研究相关进展


「拜谱聚焦」

12月多组学研究进展

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 导 读 

随着组学新技术的快速发展,疾病生物标志物的发现与应用、细胞类型与功能研究、个性化医学与精准医疗等成为了组学研究的重要方向,而整合多组学数据分析也成为了科学家们探索生命机制的新途径。作为一家具有超过15年多组学经验的领军企业,拜谱生物致力于聚焦行业、聚焦领域和聚焦热点,为大家带来每月一期的拜谱聚焦栏目!在此,小编整理了12月多组学研究部分重要进展。(欢迎补充)




本期文章目录


01

Nature合集 | 九篇齐发,大脑图谱研究重大突破!

02

Cell | 光合作用相关基因的鉴定和表征

03

Nature | 利用血浆蛋白组学构建器官衰老模型用于预测疾病

04

Cell | 母体糖尿病对胎儿代谢和发育的影响

05

Nature | 反向代谢组学助力人体代谢物发现与解析

06

Nature Med | 人类中枢神经系统边界先天免疫细胞的空间多组学景观

07

Cancer Cell | 多组学揭示肝癌转移进程的时空演变机制

08

Cell | 原生生物代谢多样性对肠道免疫和生态竞争的影响

09

Science | 古老的基因组揭示病毒毒性增强演变进程


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01

Nature合集 | 九篇齐发,大脑图谱研究重大突破!

2023年12月13日,美国加州大学圣地亚哥分校、Salk研究所、Allen研究所、哈佛大学、Broad研究所、加州大学伯克利分校联合发表了9篇Nature。研究人员利用多种技术包括scRNA-seq、snRNA-seq、snm3C-seq、MERFISH(Multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization)、Slide-seq、STARmap、SMART-seq、snmC-seq、snATAC-seq分析了小鼠大脑总计约3200万个细胞,鉴别出约5300个细胞类型,为我们绘制了小鼠大脑详细的单细胞分子和空间图谱。与过去探测大脑的工作相比,这份新图谱不再受限于某个选定的区域,而是对小鼠整个大脑的详细调查,为小鼠完整大脑的细胞类型提供了迄今为止最全面、最详细的特性描述和分类,不仅有数千种细胞类型的大量信息,还介绍了这些细胞如何连接,每个细胞中活跃的基因和调控基因的程序,以及基因调控如何驱动细胞功能。这些工作奠定了一个坚实的基础,可供进一步研究哺乳动物大脑的发育和演化,并为神经生物学和神经系统疾病的新发现提供重要工具

文献一:Zu SP, Li YE, Wang KL, et al. Single-cell analysis of chromatin accessibility in the adult mouse brain. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06824-9.

文献二:Nathan RZ, Ethan JA, Wang WL, et al. Conserved and divergent gene regulatory programs of the mammalian neocortex. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06819-6.

文献三:Liu HQ, Zeng QR, Zhou JT, et al. Single-cell DNA methylome and 3D multi-omic atlas of the adult mouse brain. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06805-y.

文献四:Zhou JT, Zhang ZZ, Liu HQ, et al. Brain-wide correspondence of neuronal epigenomics and distant projections. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06823-w.

文献五:Zhang M, Pan XJ, Jung W, et al. Molecularly defined and spatially resolved cell atlas of the whole mouse brain. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06808-9.

文献六:Jonah L, Nina SS, Karol SB, et al. The molecular cytoarchitecture of the adult mouse brain. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06818-7.

文献七:Yao ZZ, Cindy TJ, Michael K, et al. A high-resolution transcriptomic and spatial atlas of cell types in the whole mouse brain. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06812-z.

文献八:Carla CW, Anne J, Su JF, et al. A transcriptomic taxonomy of mouse brain-wide spinal projecting neurons. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06817-8.

文献九:Joshua H, Aboozar M, Mu Q, et al. Evolution of neuronal cell classes and types in the vertebrate retina. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06638-9.



02

Cell | 光合作用相关基因的鉴定和表征

 2023年12月7日,美国普林斯顿大学的Martin C. Jonikas团队在Cell杂志发表了题为“Systematic identification and characterization of genes in the regulation and biogenesis of photosynthetic machinery“的文章。研究人员开发了一种高通量的遗传连锁分析方法,以模式真核藻类莱茵衣藻为研究对象,鉴定了115个光合作用所需的基因,其中有70个基因在光合作用中的分子功能从未被研究过。通过质谱蛋白质组学分析突变体中蛋白质的丰度变化,研究揭示了一些蛋白质复合物的变化以及调控效应。研究还发现衣藻基因在蛋白质组水平上的行为与陆地植物的同源基因相似,这表明在衣藻中的研究结果对于理解绿色植物的光合作用具有重要意义。该研究使用遗传筛选方法鉴定了大量在模式藻类莱茵衣藻的光合作用中起关键作用的未知基因,并通过蛋白质组学分析将这些基因归类到不同的生物途径,揭示了与光合作用生物合成和调控有关的因子,包括主要调控因子PMR1,它通过核编码因子调控叶绿体基因。这项研究为我们认识光合作用调控机制打开了新的大门

文献:Moshe K, Weronika P, Lance M, et al. Systematic identification and characterization of genes in the regulation and biogenesis of photosynthetic machinery. Cell. doi.org/ 10.1016/j.cell.2023.11.007.



03

Nature | 利用血浆蛋白组学构建器官衰老模型用于预测疾病

 2023年12月6日,美国斯坦福大学的Tony Wyss-Coray团队在Nature上发表题为“Organ aging signatures in the plasma proteome track health and disease”的文章。研究人员对来自5个队列的5676名参与者进行了血浆蛋白质组学分析,确定了器官衰老和疾病的血清学指标,并开发了一种研究器官衰老、预测疾病和衰老效应的器官特异性模型。结果表明,20%的参与者有一个器官明显加速衰老,1.7%的参与者有多个器官衰老。器官衰老加速会使死亡风险增加20%至50%,器官特异性疾病也与特定器官衰老加速有关。例如加速心脏衰老会使心力衰竭的风险增加250%,而加速大脑和血管衰老可独立预测阿尔茨海默症(AD)的发展,其强度不亚于血浆pTau-181。研究人开发名为 “生物老化特征重要性(FIBA)” 的算法,发现这些模型中的蛋白质变化与认知下降早期阶段相关,尤其是涉及血管和动脉的变化,表明血管钙化和细胞外基质改变是衰老的一个主要组成部分,是认知衰退和神经退行性疾病早期阶段的基础

文献:Hamilton SH, Jarod R, Daniel N, et al. Organ aging signatures in the plasma proteome track health and disease. Nature. doi.org / 10.1038/s41586-023-06802-1.



04

Cell | 母体糖尿病对胎儿代谢和发育的影响

  2023年12 月 8 日,美国加州大学的Heather R. Christofk团队在Cell上发表题为“Atlas of fetal metabolism during mid-to-late gestation and diabetic pregnancy”的文章。研究人员通过模拟糖尿病妊娠的小鼠研究模型,研究了暴露于较高水平的葡萄糖如何改变胎儿组织代谢。在这项新的研究中,他们选取E10.5,E12.5,E15.5和E18.5四个妊娠时期开创了在胎儿组织中进行子宫内碳-13追踪的技术。在妊娠中晚期,他们测量了胎盘以及胎儿大脑、心脏和肝脏中的代谢物和代谢活动,并对发育过程中变化最大的代谢物进行了更广泛的非靶向代谢组学分析。结果表明不同发育阶段和代谢通路具有不同程度的13C富集。作者发现在所有检测的胎儿组织中,相比E10.5至E15.5的发育阶段,E18.5中糖酵解代谢物的标记量急剧下降,且正常小鼠的降低幅度比Akita小鼠更加明显。通过13C的富集,也显示出葡萄糖可以直接和间接地贡献于TCA循环。该研究说明在高血糖的发育环境中,存在更为持久的葡萄糖分解代谢,为在重要器官形成的妊娠中晚期研究糖尿病妊娠和子宫内胎儿健康奠定了基础。 

文献:Cesar AP, Haruko N, Richard CL, et al. Atlas of fetal metabolism during mid-to-late gestation and diabetic pregnancy. Cell. doi.org/ 10.1016/j.cell.2023.11.011.



05

Nature | 反向代谢组学助力人体代谢物发现与解析

 2023年12月5日,美国加州大学的Pieter C. Dorrestein团队在Nature杂志发表了题为“Reverse metabolomics for the discovery of chemical structures from humans”的论文。研究团队创新性的提出反向代谢组学研究策略,即通过组合合成技术创造出含有潜在代谢物的复杂混合物,然后通过串联质谱(MS/MS)检测合成混合物中化合物的质谱数据,再与公共数据库中的质谱数据进行比较分析,从而推断出未知的代谢组组分。为了验证这一研究策略的可靠性和适用性,作者构建了四类代谢物的MS/MS图谱,理论上合成了1472种酰基酰胺和782种酰基酯类化合物,并通过MS/MS确定了这些化合物的质谱数据,随后利用MASST工具搜索公共数据库中相匹配的代谢组学数据,共鉴定到与合成的N-酰基酰胺匹配的60277个质谱数据(覆盖了31%的化合物)以及5884个匹配的酯类质谱图谱。紧接着,研究人员分析了这些化合物与健康表型的关系,在标注为炎症性肠病(IBD)的样本中发现N-酰基酰胺的频率较高,这为发现疾病相关的生物标志物提供了新思路

文献:Emily CG, Stephanie LC, Morgan P, et al. Reverse metabolomics for the discovery of chemical structures from humans. Nature. doi.org/ 10.1038/s41586-023-06906-8.



06

Nature Med | 人类中枢神经系统边界先天免疫细胞的空间多组学景观

2023年12月20日,德国弗莱堡大学的Roman Sankowski团队在Nature Medicine杂志发表了一篇题为“Multiomic spatial landscape of innate immune cells at human central nervous system borders”的论文。人类中枢神经系统(CNS)的先天免疫区室高度多样化,包括多个免疫细胞群,如在脑实质中常见的巨噬细胞和在大脑界面处较少数量的CNS相关巨噬细胞(CAMs)。研究人员利用单细胞RNA测序、质谱流式技术、空间转录组学、空间蛋白质组学等方法,对胎儿发育、成年和病理过程中CNS界面的免疫区室进行了全面分析。结果表明,CAMs中富集趋化因子和细胞因子活性相关条目,CAM(C26和C19)显示CD304、CD88和CD169作为标记物,CAMs中CD206、CD163与Iba1共表达,但小胶质细胞和Kolmer细胞中不存在共表达,且在PV CAMs中表达最高的CD169在多达2/3的CD206+细胞中表达。此外,空间邻域富集分析结果表明,LM CAMs优先与成纤维细胞和内皮细胞共生并相互作用,其中CD74是CAMs定向的邻域间相互作用的主要受体。通过全面空间剖面发现缺氧驱动下的髓系细胞类型分布具有区域差异,加深了对胶质母细胞瘤相关髓系室的理解

文献:Roman S, Patrick S, Alexander B, et al. Multiomic spatial landscape of innate immune cells at human central nervous system borders. Nature Med. doi.org/ 10.1038/s41591-023-02673-1.




07

Cancer Cell | 多组学揭示肝癌转移进程的时空演变机制

 2023年12月14日,复旦大学的樊嘉院士团队在Cancer Cell上发表题为“Integrated multi-omics profiling to dissect the spatiotemporal evolution of metastatic hepatocellular carcinoma”的文章。研究人员从两万多例肝癌手术病人中筛选182例肝细胞癌患者,对原发灶、转移灶和肝内复发灶手术切除样本回顾性多区域取样,收集461个石蜡包埋组织,进行基因组、转录组、单细胞转录组、空间转录组和数字病理等多组学联合测序分析。研究人员绘制了肝癌转移过程的演化图谱,通过空间全转录组数据发现发现Wnt野生型原发灶显著富集各类抑制性免疫细胞和肿瘤相关成纤维细胞,为Wnt野生型肝癌细胞向其他器官播散提供外部动力。该研究首次揭示了肝癌启动转移的分子时间,转移定植的克隆模式,转移肿瘤的瘤内异质性及其与微环境的相关性,尤其是癌症相关成纤维细胞和B细胞在转移过程中的关键作用,为研发肝癌转移预测的新标志物和治疗新靶点提供了宝贵的数据和理论基础

文献:Sun YF, Wu P, Zhang ZF, et al. Integrated multi-omics profiling to dissect the spatiotemporal evolution of metastatic hepatocellular carcinoma. Cancer Cell. doi.org / 10.1016/j.ccell.2023.11.010.



08

Cell | 原生生物代谢多样性对肠道免疫和生态竞争的影响

2023年12月13日,美国斯坦福大学的Michael R. Howitt研究团队在Cell杂志发表了题为“Metabolic diversity in commensal protists regulates intestinal immunity and trans-kingdom competition”的文章。该研究揭示了人体和小鼠肠道中副基体纲原生生物的多样性和代谢差异性,不同原生生物的代谢差异性会导致其所占的生态位不同,并且对肠道免疫产生的影响也不同。首先,研究人员小鼠肠道内的副基体纲原生生物进行了表征,发现了一种此前被报道过的三毛滴虫属物种Tritrichomonas musculis(Tmu)和一种新物种Tritrichomonas casperi(Tc)。通过代谢组学和基因组学发现,Tmu通过分泌代谢产物琥珀酸刺激肠道簇状细胞上的琥珀酸受体GPR91,从而驱动远端小肠中的2型免疫反应。接着,研究人员比较了不同碳源对Tmu和Tc的影响,发现Tmu依赖于膳食来源的微生物可利用碳水化合物(MAC),而Tc可能依赖于宿主黏液聚糖。在MAC缺乏期间,Tmu会转变为分解黏液聚糖,但是由于其难以竞争过分解黏液聚糖的细菌,因此丰度显著降低

文献:Elias RG, Soumaya Z, Patrick TW, et al. Metabolic diversity in commensal protists regulates intestinal immunity and trans-kingdom competition. Cell. doi.org/ 10.1016/j.cell.2023.11.018.




09

Science | 古老的基因组揭示病毒毒性增强演变进程

2023年12月15日,英国牛津大学Steven Fiddaman等人在Science杂志发表了题为“Ancient chicken remains reveal the origins of virulence in Marek's disease virus”的论文。引起鸡体内淋巴瘤的马立克氏疾病病毒(MDV),在过去的一个世纪里经历了明显的毒力增加。研究人员利用古DNA追溯了马立克氏病病毒的进化过程,从过去1000年的考古鸡身上恢复并重建了古老的MDV基因组序列,通过比较来自现代鸟类和古代鸟类的病毒基因组,研究人员能够查明导致现代病毒毒力增加的基因层面发生的变化,并使用细胞分析证明古代菌株比现代菌株明显温和得多。这些古老的基因组表明,MDV在欧洲禽类中广泛传播的年份早于首次对该疾病进行描述的1907年至少1000年。古代DNA为我们提供了关于MDV作为致命禽类病毒演变的独特视角,并为我们未来在病毒感染控制上的应用带来了宝贵的经验和教训

文献:Steven RF, Evangelos AD, Ophélie L, et al. Ancient chicken remains reveal the origins of virulence in Marek's disease virus. Science. doi.org/ 10.1126/science.adg2238.




拜谱小结

作为一个热点普及类栏目,我们将始终关注多组学研究领域的重要进展,让大家时刻了解最新的科学动态。在这个栏目中,我们将分享最前沿的研究成果和技术突破,助力广大读者了解和应用多组学技术,共同推动生命科学的发展。让我们一起探索多组学的潜力,揭开生命的奥秘!



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