2016年，10x Genomics公司推出ChromiumTM系統(tǒng)，這是一套分子條形碼和分析系統(tǒng)，由儀器、試劑盒和信息學(xué)軟件組成，能全面對接Illumina測序儀。
當(dāng)你到達它時，盒子水母只是粘性物質(zhì)。它們的大部分體積是mesoglea，一種非生命的果凍狀物質(zhì)，夾在兩個薄薄的組織層之間。它們沒有牙齒可咬，沒有爪子可以劃傷 - 當(dāng)我們想象一個無情的捕食者時，我們通常都沒有想到的武器。然而，這些無骨無腦的盒子是地球上最致命的動物之一。箱形水母Chironex fleckeri 可以在不到五分鐘的時間內(nèi)殺死一個成年男子，它的觸須中含有的毒液中含有一些世界上最快速，最強效的毒素。
然而，這些毒素究竟是什么，仍然是一個神秘的東西?？茖W(xué)家們幾十年來一直試圖確定盒狀果凍毒液的成分，但只發(fā)現(xiàn)了它的一些有效成分。雖然還有更多需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，但上周，澳大利亞昆士蘭州的一個研究小組發(fā)布了迄今為止最廣泛的Chironex 毒液蛋白分析，揭示了這些凝膠狀殺手配備的一些不同的武器庫。
盒子果凍，像刺胞動物門的其他成員一樣，在它們的觸須上裝有刺痛的細(xì)胞。在每一個中都是稱為刺絲囊的結(jié)構(gòu)，其包含毒液和生物線上的魚叉狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)刺細(xì)線被觸發(fā)時，它們的魚叉以每小時超過40英里的速度射出，產(chǎn)生與一些子彈一樣多的穿透力。盒狀果凍的受害者可能在幾秒鐘內(nèi)被數(shù)百萬個這些微小的刺痛細(xì)胞擊中，造成巨大的痛苦傷痕。在嚴(yán)重的情況下，毒液引起全身效應(yīng)，包括急性心血管衰竭和死亡，在幾分鐘或更長時間內(nèi)延遲但可能致命的癥狀 - 一種稱為Irukandji綜合癥的病癥。
“盡管這種水母對澳大利亞(以及世界范圍內(nèi)的類似物種)產(chǎn)生了經(jīng)濟和醫(yī)療影響，但我們對毒液的確切含義知之甚少，”QIMR Berghofer醫(yī)學(xué)研究傳染病與癌癥小組負(fù)責(zé)人Jason Mulvenna解釋說。研究所和該論文的合著者發(fā)表在 BMC Genomics上。該團隊的目標(biāo)是迄今為止對Chironex毒液進行最深入的分析 ，產(chǎn)生蛋白質(zhì)組(存在蛋白質(zhì)的文庫)和轉(zhuǎn)錄組(表達基因的文庫)。
近年來，這種方法的組合變得越來越流行，因為技術(shù)進步為更快更容易的基因測序以及更精確的蛋白質(zhì)測定打開了大門。雖然他們可以使用遺傳或蛋白質(zhì)組學(xué)方法來觀察毒液蛋白，但這種組合特別有效。轉(zhuǎn)錄組告訴你哪些基因正在被積極表達，但很難說哪些基因?qū)嶋H上是毒液毒素，哪些基因參與日常細(xì)胞維持。同樣，雖然蛋白質(zhì)可以直接測序，但是如果沒有遺傳信息，很難理解那種數(shù)據(jù)，而且Chironex沒有公開的基因組。因此，使用這兩種方法是團隊成功的關(guān)鍵。
從遺傳方面來看，他們使用下一代測序構(gòu)建了一個觸手轉(zhuǎn)錄組。這是通過分離出所有信使RNA序列(或“轉(zhuǎn)錄物”)來完成的 - 這是從基因到蛋白質(zhì)的途徑的第一步。然后他們將這些切成小塊并對它們進行測序。就像從10個單詞的句子片段重新創(chuàng)建一本書一樣，團隊能夠使用特殊的計算機程序來對齊小塊，最終創(chuàng)建表達基因的庫。
然后是蛋白質(zhì)方面的時間。為了構(gòu)建一個'蛋白質(zhì)組'，該團隊必須將毒液與果凍觸須隔離開來。與蛇或蜘蛛不同，水母不能“擠奶” - 因此團隊必須將刺絲囊與新鮮的觸須分開，使它們“刺痛”，然后將毒液從膠囊本身分離出來。然后可以將該毒液產(chǎn)物分離成單獨的組分并使用凝膠電泳，液相色譜和質(zhì)譜分析進行鑒定。
觸角產(chǎn)生超過20,000個預(yù)測的蛋白質(zhì)序列，研究人員將其與UniProt數(shù)據(jù)庫中的已知蛋白質(zhì)進行比較，以識別潛在的毒素。他們最終得到了來自十個不同蛋白質(zhì)家族的179種可能的毒素。他們的串聯(lián)蛋白質(zhì)組學(xué)分析特異性地鑒定了其中13種具有相對高豐度的毒液：7種蛋白酶，其中4種是金屬蛋白酶，含有α-巨球蛋白結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，2種過氧化物酶毒素，2種CRISP蛋白質(zhì)和類似于turripeptide的蛋白酶抑制劑。 今年早些時候的另一項研究同樣構(gòu)建了轉(zhuǎn)錄組，兩個研究小組都發(fā)現(xiàn)了金屬蛋??白酶和蛋白酶抑制劑。
研究小組還發(fā)現(xiàn)了已知的多種成核蛋白或孔蛋白的新變種，這些蛋白已經(jīng)在多種物種中被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)科學(xué)家們開始他們的探索時，Chironex fleckeri 知道了四個人 - 該團隊找到了十五種不同變種的證據(jù) 。
“我們現(xiàn)在知道有一大堆獨特的毒素，只有在水母中才能找到，這可以解釋為什么箱形水母是人類已知的最有毒的生物之一，”Mulvenna說。
“現(xiàn)在我們知道水母毒液中有什么東西可以做兩件事; 我們可以開始為水母蜇傷提出新的治療方法，直接針對我們在毒液中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì); 我們可以開始看看這些新型毒素是否對我們有用，“Mulvenna解釋道。更有針對性的療法是一個受歡迎的想法，因為之前的研究質(zhì)疑盒裝果凍抗蛇毒血清是否有效。最近的一項研究表明，例如，在動物毒液模型中，孔蛋白毒素的特定阻斷劑比抗蛇毒血清的效果要好得多?，F(xiàn)在有了新的目標(biāo)需要考慮，科學(xué)家們可以創(chuàng)造一種更好的治療方案來阻止毒液最致命的活動。
也許具有諷刺意味的是，這些致命的活動也可以被利用。越來越多的科學(xué)家正在開采有毒動物用于新型藥物。畢竟，這些動物已經(jīng)有數(shù)百萬年的時間來磨練它們的毒素 - 例如，果凍已經(jīng)存在了大約6億年，沿途調(diào)整它們的毒液。雖然藥物發(fā)現(xiàn)的過程漫長而艱難(因此任何盒裝果凍衍生藥物都需要幾年甚至幾十年的生產(chǎn)時間)，但本研究中創(chuàng)建的毒素數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在可以篩選出有用的活動，如抗癌特性。
雖然結(jié)合的方法允許這些新發(fā)現(xiàn)，但仍有許多工作要做。“使用這種技術(shù)的好處是速度和成本 - 我們可以快速生成轉(zhuǎn)錄組并使用蛋白質(zhì)組學(xué)來改進和糾正它，”Mulvenna解釋道。然而，所使用的方法可以忽略以較低濃度存在的有效毒素，因此需要進一步研究以檢測和測序較少量的蛋白質(zhì)。
此外，在沒有基因組作為指導(dǎo)的情況下正確組裝整個轉(zhuǎn)錄組有點像在通過粉碎機后將數(shù)百頁文本拼湊在一起。當(dāng)短序列映射回構(gòu)造的全長序列時，錯誤突出; 在這種情況下，44%的短序列不匹配，Mulvenna說這是“裝配錯誤的結(jié)果。”這表明即使采用雙重方法，也會產(chǎn)生我們?nèi)匀徊恢赖牡鞍踪|(zhì)。 。
研究設(shè)計也只能檢測蛋白質(zhì)毒素。許多毒液都是復(fù)雜的化學(xué)混合物，含有多種毒素。但就目前而言，該團隊已經(jīng)綽綽有余。
“現(xiàn)在，當(dāng)我們開始研究單個蛋白質(zhì)以了解它們的作用以及為什么它們?nèi)绱擞行r，開始變得有趣，”Mulvenna說。
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