一年一度的Cell最佳系列終於出爐了。
2020年1月6日，Cell期刊（最新的影響因子為36.216）從2018年年底和2019年發表的論文中評出了9篇「最佳論文」。
它們分別是美國霍華德-休斯醫學研究所的Philipp Keller團隊開發出新型智能顯微鏡，在四維水平下觀察活鼠中的胚胎髮育；利用深度學習從原始序列預測pre-mRNA剪接；中國科大薛天課題組利用納米技術讓哺乳動物能夠看到紅外線；轉錄因子通過它們的激活域的相分離能力激活基因；迄今為止最大規模人體微生物組研究揭示出數千種新型微生物物種；開發出新一代免疫檢查點抑制劑：NKG2A抗體；開發出DNA顯微鏡；首次發現阻斷CRISPR-Cas9基因組編輯的小分子抑制劑；重建中美洲和南美洲悠久的人口歷史。
1.Cell：重大進展！開發出新型智能顯微鏡，在四維水平下觀察活鼠中的胚胎髮育
doi:10.1016/j.cell.2018.09.031
在一項新的研究中，美國霍華德-休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區物理學家和生物學家Philipp Keller及其同事們採取了一種不同的策略：他們設計了一台能夠完成所有工作的智能顯微鏡。相關研究結果於2018年10月11日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level」。
圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.09.031。
在這台智能顯微鏡的中心，一種清晰的丙烯酸立方體結構容納著胚胎成像室。兩個片光（light sheet）照亮小鼠胚胎，兩個攝像頭記錄圖像。這些組件讓這些研究人員窺探曾經看不見的早期器官發育世界，以前所未見的高解析度細節揭示動態事件。這台顯微鏡的頭部配備了一套跟蹤胚胎位置和大小的算法。這些算法繪製片光如何在樣品中移動，然後找出如何獲得最佳圖像的方法---保持小鼠胚胎聚焦在視野中並位於視野中間。由於小鼠胚胎在不斷變化，這台顯微鏡必須不斷適應，以毫秒為間隔，在數百個不同的時間點上對數百多張圖像做出決定。
利用這台智能顯微鏡，Keller團隊如今能夠首次窺視活著的小鼠胚胎，觀察腸道開始形成，心臟細胞開始嘗試第一次跳動。在一個關鍵的48小時窗口---也就是初級器官開始形成的時間段---里，他們能夠追蹤每個胚胎細胞並確定它們去向何處，它們開啟了哪些基因，以及它們在路上遇到了哪些細胞。
2.Cell：利用深度學習從原始序列預測pre-mRNA剪接
doi:10.1016/j.cell.2018.12.015
外顯子組測序（exome sequencing）改變了對患有罕見遺傳疾病的患者和家屬的臨床診斷，但是它對罕見遺傳疾病的診斷陽性率大約只有25%～30%，這就使得大部分患者仍未被檢出，即便是聯合使用外顯子組測序和晶片測試也是如此。
基因組中的非編碼區域在基因調控中起著非常重要的作用。在針對人類複雜疾病的無偏見全基因組關聯研究中發現的90%的致病基因位點（causal disease loci）位於非編碼區域。可破壞mRNA正常剪接模式的非編碼突變，也稱為隱蔽剪接突變（cryptic splice variant），長期以來被認為在罕見遺傳疾病中起著重要的作用。但是，隱性剪接突變在臨床實踐中的作用卻一直被忽略，這主要是因為對於剪接密碼（splicing code）的理解不夠深入，這也使得很難鑑定出它們。
圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.12.015。
近年來，RNA測序（RNA-seq）已經成為檢測孟德爾疾病中異常剪接的一種有潛力的測定方法，但迄今為止它在臨床環境中的應用仍然局限於相關細胞類型已知且可進行活組織檢查的少數病例。對任意前體mRNA（pre-mRNA）序列的剪接的預測可以使得精確預測隱性剪接突變成為可能，從而改善對遺傳疾病的診斷。雖然到目前為止，在對核心剪接基序的序列特徵進行建模、表征外顯子剪接增強子和沉默子以及預測盒式外顯子增加（cassette exon inclusion）等特定應用中取得了一定進展，但是從原始序列構建預測性的剪接模型還是很困難。
在一項新的研究中，Kyle Kai-How Farh及其研究團隊開發出一個深度神經網絡，它可以準確地預測任意pre-mRNA轉錄本序列的剪接點（splice junction），從而能夠精確預測導致隱蔽剪接的非編碼突變。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Predicting Splicing from Primary Sequence with Deep Learning」。
具有預測的剪接變化結果的同義突變和內含子突變在RNA-seq上得到了很高的驗證，並且在人群中具有極大的危害性。與健康對照相比，具有預測的剪接改變後果的從頭突變在自閉症和智力障礙患者中顯著富集，並且在28名這些患者中，有21人在RNA-seq上得到了有效驗證。
這些研究人員估計在罕見遺傳病患者中，9%～11%的致病突變是由這種先前未被充分認識的隱蔽剪接突變引起的。
3.Cell：中國科大薛天課題組利用納米技術讓哺乳動物能夠看到紅外線
doi:10.1016/j.cell.2019.01.038
在一項新的研究中，中國科學技術大學生命科學與醫學部的薛天（Tian Xue）課題組和美國麻薩諸塞大學醫學院的Gang Han研究團隊報道，通過納米技術增強視力的小鼠能夠看見紅外光和可見光。在小鼠的眼睛中單次注射納米顆粒可讓它們的紅外視覺保持長達10周，副作用最小，即使在白天也可以看到紅外光，並具有足夠的特異性來區分不同的形狀。這些發現可能會導致人類紅外視覺技術的進步，包括在民用加密、安全和軍事行動中的潛在應用。相關研究結果於2019年2月28日在線發表在Cell期刊上 ，論文標題為「Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae」。論文第一作者為中國科學技術大學生命科學與醫學部的博士生馬玉干（Yuqian Ma）、教授鮑進（Jin Bao）和麻薩諸塞大學醫學院的Yuanwei Zhang博士。
圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.01.038。
在這項新的研究中，這些研究人員開發出可在眼睛的現有結構中發揮作用的納米顆粒。所開發出的納米顆粒能夠僅附著到感光細胞上，起著微小的紅外光傳感器的作用。當紅外光照射到視網膜上時，這些納米顆粒捕獲較長的紅外線波長並發射較短的位於可見光範圍的波長。附近的視杆細胞和視錐細胞吸收這些較短的波長並向大腦發送正常信號，就像可見光照射到視網膜上一樣。
鮑進說，「在我們的實驗中，納米顆粒吸收波長約為980 nm的紅外光，並將它轉換為在535 nm處達到峰值的光，這就使得這種紅外線觀看起來像是綠色的光線。」
這些研究人員在小鼠體內測試了這些納米顆粒，其中與人類一樣，小鼠不能自然地看到紅外線。接受納米顆粒注射的小鼠顯示出它們檢測到紅外光的無意識體徵，比如它們的瞳孔收縮，而僅注射緩衝液的小鼠對紅外光沒有反應。
4.Cell：轉錄因子通過它們的激活域的相分離能力激活基因
doi:10.1016/j.cell.2018.10.042
基因表達受轉錄因子（TF）的控制，轉錄因子由DNA結合域（DBD）和激活域（AD）組成。 DBD已得到很好的描述，但是對於AD影響基因激活的機制了解甚少。
在一項新的研究中，來自美國懷特黑德生物醫學研究所的研究人員報道，不同的AD與介體輔活化劑（ediator coactivator）形成了相分離的凝聚物。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Transcription Factors Activate Genes through the Phase-Separation Capacity of Their Activation Domains」。
這些研究人員發現轉錄因子OCT4和GCN4在體外能夠與介體形成相分離的液滴，並且它們在體內激活基因的能力取決於相同的胺基酸殘基。
他們還發現對雌激素受體（ER）而言，雌激素增強了與介體的相分離，從而再次將相分離與基因激活相關聯在一起。
這些結果表明多種轉錄因子可以通過它們的AD的相分離能力與介體相互作用，並且它們與介體形成的凝聚物參與基因激活。
5.Cell：迄今為止最大規模人體微生物組研究揭示出數千種新型微生物物種
doi:10.1016/j.cell.2019.01.001
在一項新的研究中，來自義大利特蘭託大學計算宏基因組學實驗室的Nicola Segata、Edoardo Pasolli及其團隊創建出一個迄今為止最大規模的普遍存在於世界各地人體中的細菌和古細菌目錄。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Extensive Unexplored Human Microbiome Diversity Revealed by Over 150,000 Genomes from Metagenomes Spanning Age, Geography, and Lifestyle」。
圖片來自University of Trento。
他的團隊研究人體微生物組的方法被稱為「計算宏基因組學（computational metagenomics）」：他們通過分析人體微生物組的遺傳信息來進行研究。他們從一滴唾液、皮膚拭子或一克糞便中提取樣品微生物的總DNA，並對DNA進行高通量測序。利用專門的軟體分析所產生的大量遺傳數據，以便重建人體微生物組中存在的微生物的基因組。
Segata博士詳細介紹了這項新研究的一些方面：「我們的研究結果鑑定出將近5000種微生物物種，重現了15.4萬多個新重建的基因組，描述了在不同年齡、身體部位、生活方式和疾病中的人體微生物組。我們每個人都被數百種這樣的微生物物種所定植。但是，其中的很大一部分（77％）在之前是未知的。這些微生物物種中的很多都比較少見，但是一些微生物物種非常普遍地存在於世界各地的人群中，對它們的發現是測試它們在自身免疫疾病、胃腸道疾病和腫瘤疾病中的潛在作用的起點。為了獲得這些結果，我們分析了一個極其龐大的新獲得的可公共訪問的微生物組樣本數據集，這些微生物組樣本涵蓋了不同地理、生活方式和年齡的人群。總體而言，我們考慮了9428個已用一種稱為宏基因組學的DNA測序技術研究過的人體微生物組樣本。」
6.Cell：新研究表明新一代免疫檢查點抑制劑呼之欲出
doi:10.1016/j.cell.2018.10.014
在一項新的研究中，來自法國國家科學研究中心等研究機構的研究人員發現作為一種新型的免疫檢查點抑制劑，NKG2A抗體能夠潛在地促進T細胞和自然殺傷細胞（NK細胞）的抗腫瘤能力，當與現有的癌症免疫療法相結合時可更好地治療癌症患者。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Anti-NKG2A mAb Is a Checkpoint Inhibitor that Promotes Anti-tumor Immunity by Unleashing Both T and NK Cells」。
圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.10.014。
這項研究的關鍵在於一種稱為NKG2A的受體分子。這些研究人員發現阻斷這種受體可增強小鼠體內的NK細胞和T細胞的免疫活性，從而提高抗腫瘤免疫反應。他們開發出一種稱為Monalizumab的NKG2A抗體。它是一種人源化的單克隆抗體。
在實驗中，這些研究人員將小鼠分為四組，第一組小鼠僅給予Monalizumab單抗，第二組小鼠僅給予PD-L1單抗，第三組小鼠聯合給予Monalizumab單抗和PD-L1單抗，第四組小鼠作為對照組。這些小鼠事先通過皮下注射接種了B細胞淋巴瘤細胞。
他們發現相比於對照組，僅給予PD-L1單抗最多可讓40%的小鼠存活下來，單獨給予Monalizumab單抗並沒有帶來顯著的抗癌作用，但是聯合給予這兩種單抗最多可讓75%的小鼠存活下來，這就揭示了NKG2A單抗聯合用藥具有強大的抗癌潛力。
更重要的是，這些研究人員還在31例鱗狀細胞頭頸癌患者中開展II期臨床試驗。這些患者可分為多組，分別給予不同劑量的Monalizumab單抗。除此之外，這些患者還接受西妥昔單抗（cetuximab）治療。西妥昔單抗是一種EGFR抑制劑，已被批准用於治療頭頸癌。中期臨床試驗結果Monalizumab單抗和西妥昔單抗的聯合用藥達到了31％的客觀緩解率，有50%患者的病情得到穩定控制，更有1名患者的病灶完全消失。
Monalizumab單抗在人體臨床試驗中的安全性也是不錯的。截止到2018年10月，參與治療的患者達到40名，沒有出現額外的安全性問題。最常見的不良反應是疲乏、發熱和頭痛。
這些數據顯示出，Monalizumab單抗和西妥昔單抗聯合用藥對患者具有較高的緩解率和反應持久性。
由此可見，作為一種新型的免疫檢查點抑制劑，NKG2A抗體可通過增強T細胞和NK細胞的活性促進抗腫瘤免疫反應，因而可作為第一代癌症免疫療法的補充。
7.Cell：重大突破！開發出DNA顯微鏡
doi:10.1016/j.cell.2019.05.019
傳統上，科學家們使用光、X射線和電子來觀察組織和細胞的內部。如今，科學家們能夠在整個大腦中追蹤線狀的神經纖維，甚至可以觀察活的小鼠胚胎如何產生原始心臟中的跳動細胞。但是這些顯微鏡無法看到的是：細胞在基因組水平上發生了什麼。
如今，在一項新的研究中，美國布羅德研究所生物物理學家Joshua Weinstein、霍華德-休斯醫學研究所研究員Aviv Regev和麻省理工學院分子生物學家Feng Zhang發明了一種非傳統的稱為「DNA顯微鏡（DNA microscopy）」的成像方法，它能夠做到這一點。他們使用DNA「條形碼」來協助確定分子在樣本中的相對位置，而不依賴於光線（或者任何類型的光學器件）。相關研究結果於2019年6月20日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction」。
圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.05.019。
首先，這些研究人員獲取實驗室中培養的細胞，並將它們固定在反應室中。然後，他們添加了各種各樣的DNA條形碼。這些DNA條形碼結合RNA分子，從而給每個RNA分子一個獨特的標籤。接下來，他們使用化學反應來讓每個標記分子產生越來越多的拷貝---一個從每個分子的原始位置擴展出來的生長堆（growing pile）。
最終，標記的分子與其他標記的分子碰撞，迫使它們成對連接在一起。彼此靠近的分子更容易碰撞，因而產生更多的成對DNA。距離相隔較遠的分子將產生較少的成對DNA。
DNA測序儀會讀取樣品中每個分子的鹼基序列，這需要長達30個小時。這些研究人員開發出的算法隨後解碼這些數據---在本文中，這些數據代表來自每個原始樣本的基因序列的大約5000萬個DNA鹼基---並將原始數據轉換為圖像。
Weinstein說，通過使用DNA顯微鏡，這些研究人員能夠構建細胞圖像，同時獲得大量的基因組信息。「這為我們提供了另一層我們無法觀察到的生物學。」
8.Cell：首次發現阻斷CRISPR-Cas9基因組編輯的小分子抑制劑
doi:10.1016/j.cell.2019.04.009
在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所等研究機構的研究人員發現釀膿鏈球菌Cas9（SpCas9）的首批小分子抑制劑能夠更精確地控制基於CRISPR-Cas9的基因組編輯。相關研究結果發表在2019年5月2日的Cell期刊上，論文標題為「A High-Throughput Platform to Identify Small-Molecule Inhibitors of CRISPR-Cas9」。
圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.009。
具體而言，他們通過開發一系列高通量生物化學分析方法和基於細胞的分析方法，篩選了許多小分子 ，以便鑑定出能夠破壞SpCas9與DNA結合因而干擾它的DNA切割能力的化合物。這些首批小分子CRISPR-Cas9抑制劑很容易進入細胞，並且比之前發現的抗CRISPR蛋白小得多。這些新化合物可以對基於SpCas9的編輯技術進行可逆的和劑量依賴性的控制，包括它們在哺乳動物 細胞中進行基因編輯、鹼基編輯和表觀遺傳編輯的應用。
論文通訊作者、布羅德研究所的Amit Choudhary說道，「這些技術為快速鑑定和使用針對SpCas9和下一代CRISPR相關核酸酶的小分子抑制劑奠定了基礎。靶向CRISPR相關核酸酶的小分子抑制劑具有廣泛應用於基礎研究、生物醫學和國防研究以及生物技術應用的潛力。」
9.Cell：重建中美洲和南美洲悠久的人口歷史
doi:10.1016/j.cell.2018.10.027
在一項新的研究中，來自美國、德國、中國、智利和巴西等13個國家的研究人員報道了來自貝里斯、巴西、中部安第斯山脈和南錐體的四個平行時間斷面（parallel time transect）的49個人的全基因組古DNA，每個人的歷史至少可追溯到大約9000年前。相關研究結果發表在2018年11月15日的Cell期刊上，論文標題為「Reconstructing the Deep Population History of Central and South America」。
這個共同的祖先群體迅速地從兩個早期分支中的一個分支擴散到今天的美洲原住民。這些研究人員記錄了北美洲和南美洲之間兩個以前未被發現的基因流：一個基因流在大約4200年前影響了中部安第斯山脈，另一個基因流解釋了與克洛維斯文化（Clovis culture）相關的最古老北美洲人基因組與來自智利、巴西和貝里斯的最古老中南美洲人基因組之間存在的親緣關係。
然而，這並不是後來的南美洲人的主要來源，這是因為其他古代人的血統與克洛維斯文化相關的最古老北美洲人基因組沒有特定的親緣關係，這表明至少在9000年前就開始了種群替換，隨後在多個地區出現了大量的種群連續性。（生物谷 Bioon.com）