研究课题的研究方法有哪些（研究方法有哪些）

研究方法有哪些（研究课题的研究方法有哪些）

头角的杰出研究工具和项目，我们可以发现一些共同的成功途径。

当被问及专长时，Kaihang Wang的回答很干脆：“手艺人”。毕竟他在加州理工学院（California Institute of Technology）的大部分工作都与造东西有关，尽管不是用锤子和钉子。Wang的团队开发了分子工具，包括一个系统——生物学家可以通过编程，将长的合成DNA链转入细菌细胞[1]。再度思考过后，Wang给出了一个更科学的回答：合成生物学或基因组工程。“从根本上说，我们所有努力主要由一个基本目标推动，那就是创造生命”，他说。

和Wang一样，当手头的工具不足时，许多生物学家会跨学科寻找材料、合作者或不同的方法。这促成了全新命名的方法或联盟，如“膨胀显微成像（expansion microscopy）”或“基因组编写计划（Genome Project-write）”。其中一些方法或联盟由于其技术能力及显赫的名声而在科学家中引起轰动。

即将到来：“人类细胞图谱”。来源：改编自Getty。

科罗拉多州立大学研究科学修辞学的Erika Szymanski表示，为一个领域或工具取个琅琅上口的名字，可以为研究者创建出探索的概念框架。“就像显微镜限制了我们用它能看到什么，我们只能‘看见’那些有名字的东西，”她说，“尝试以新框架来思考工作有时会很有成效，因为它开辟出空间，让我们可以想象新的可能性。”

在本文中，《自然》探索了过去15年中5项著名的技术。有些已经开辟了新的研究领域或取得了资金资助；有些加强了全球合作，或者在研究中发现了不同于最初意图的新目标。无论是揭示了细胞功能，催生了公司和疗法，还是在疫情期间为公共卫生决策提供了信息，这5项技术都在科学史上留下浓墨重彩的一笔。

表观转录组学

与基因组DNA一样，信使RNA可以携带改变其功能或命运的化学标记，例如甲基或糖基。这种修饰并不统一，并且有发现表明，某些mRNA高度甲基化而其他mRNA没有，指向了这些标记的生物学作用。2012年，威尔康奈尔医学院（Weill Cornell Medical College）的RNA生物学家Samie Jaffrey等开发了一种方法来识别普遍存在于转录组（细胞或生物体中转录出来的所有RNA）中的特定mRNA甲基化标记，命名为m6A[2]。

该研究的共同作者Christopher Mason也在威尔康奈尔医学院工作，他创造了“表观转录组学”这一术语来解释该团队的假设，即甲基标记调节mRNA转录本的活性，从而表明为什么蛋白质水平并不总是与编码它们的转录本的丰度相匹配。“这可能是遗传编码的新层面，这一点很吸引人。”Jaffrey说。新名称使其他人更容易理解这个概念。

几年下来，表观转录组学已经发展成一个独立的领域，有专门的资金、会议和合作需求。西班牙巴塞罗那基因组调控中心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA生物学家Eva Maria Novoa Pardo说：“在某种程度上，一个新词的创造引领了整个科研群体的出现。”

Jaffrey和Mason的早期方法是使用m6A抗体来分离长为100-200个核苷酸的修饰RNA片段，然后他们通过测序对其进行鉴定。后来，该团队将抗体与底物交联，然后沉淀抗体结合的RNA片段以精确定位甲基化位点，从而生成第一个单核苷酸水平的甲基化mRNA图谱。这有助于识别另一类携带修饰的分子，称为核仁RNA[3]。“我们现在开始认同一个想法：m6A的一个主要功能是标记RNA以实现快速周转”，Jaffrey说，这对细胞改变和适应环境的能力至关重要。

随后科学家开发了可以在特定序列上切割非甲基化RNA的酶。开发者、以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）RNA生物学家Schraga Schwartz利用该工具，不仅能检测特定位点是否被修改，还可以检测携带甲基化基序的转录本的百分比。当Schwartz等将其应用于整个转录组时，他们发现基于抗体的技术遗漏了近75%的修饰位点，表明其敏感性有限[4]。“这个结果令人惊喜，”他说，“以前就一种，现在有了两种方法，我们看问题更全面了。”

如今，表观转录组学研究人员可以使用纳米孔测序仪直接读取修饰过的 RNA。与传统测序仪需要先通过逆转录将RNA转化为DNA不同，这些仪器将RNA分子通过蛋白质纳米孔并产生特定的电流，然后解码电流信号以获取RNA序列。过去，解码电流信号的测序算法经常误读甲基化的m6A核苷酸。因此，2019年Novoa等人设计了一种算法（今年早些时候有更新[5]），使用这些错误来预测哪些位点携带甲基化核苷酸。“有可能对天然RNA进行测序（而无需先将其逆转录成DNA），为转录组开辟了无偏差的图景”，她说。

人类细胞图谱

2003年人类基因组测序的完成，以及研究单细胞的新工具的出现，让科学家开始畅想是否可以对每个人类细胞的独特位置、行为和发育进行绘图。英国维康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）遗传学家Sarah Teichmann和美国南旧金山基因泰克（Genentech）的计算生物学家Aviv Regev就是其中两位。

2016年底，Teichmann、Regev等聚在一起讨论这个想法。人类细胞图谱计划（Human Cell Atlas）由此诞生，这是一个使用单细胞途径绘制每个人类细胞、组织和器官的结构、遗传学和生物学的项目。该小组强调开放、协作的方法：任何人都可以参与，并且该联盟使用广泛的分子和计算方法收集信息。

“没有什么金标准技术可以实现所有目的，”在CRG 研究单细胞测序技术并领导该联盟标准和技术工作组的Holger Heyn说，“每种方法都有误差。我们整合的技术越多，误差就越少。”

在2020年的一项研究中，Heyn等人在一组普通参考样本中比较了13种单细胞RNA测序技术，并根据其发现细胞特异性标记物的能力进行评价[6]。他们发现，结果差异的一个主要来源是样本中细胞的大小。“我们的目标不是比个高下，而是决定通过每种技术能获取哪些信息”，Heyn说。

人类细胞图谱联盟现在在77个国家拥有近2200名成员，他们总共分析了来自14个主要器官的约3900万个细胞，并发表了近80篇文章，而且这些数字还在不断增加。

此外，这些数据还有助于解开COVID-19的奥秘。2020年初，联盟成员汇集了26个已发表和未发表的数据集，以了解冠状病毒SARS-CoV-2如何入侵肺组织。他们绘制了病毒用于进入组织（包括鼻子、嘴巴和眼睛等）的细胞表面受体图[7]。此后，世界各地的研究人员使用该图谱来了解感染过程。Teichmann表示，它甚至有助于为公共卫生决策提供信息，例如要求人们戴口罩的政策。“这场疫情对人类细胞图谱计划来说确实是变革性的，”她说，“它展现了细胞图谱的价值——即使还是早期的、不完整的图谱。”

膨胀显微成像

尽管许多着迷于显微镜分辨率的研究人员专注于打造更好的硬件，但神经科学家Ed Boyden采取了不同的策略。他与麻省理工学院的同事一起，设计了一种称为膨胀显微成像（expansion microscopy）的技术，它可以像给气球打气一样扩大细胞和组织。

该方法将一种称为丙烯酸酯的单体注入样品中。加水会导致单体聚合和膨胀，随着其扩大，细胞组分被推开。早期尝试时细胞会破裂或膨胀不均匀。但通过在聚合前添加酶来软化组织，研究人员可以将小鼠脑组织扩大到原始大小的4.5倍[8]。两年后，该团队将该方法延伸至十几种组织类型，其中一些可以扩大16倍[9]。“能确保物理放大倍数的比例正确，这个技术才有价值，”Boyden说。

今年，Boyden团队利用这个概念来定位组织中的特定RNA，这是一个称为空间转录组学的子领域。他们首先扩展了小鼠脑组织的一部分，然后对锚定的RNA进行了原位测序[10]。