【原】2022诺贝尔奖的点击化学或可作为单细胞多组学开发的有力工具

健明 2022-10-06 发布于广东

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因在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献，美国化学家卡罗琳·贝尔托西（Carolyn R。Bertozzi）、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔（Morten Meldal）和美国化学家卡尔·巴里·夏普利斯（K。Barry Sharpless）荣获2022年诺贝尔化学奖。

那么，什么是点击化学(Click chemistry)，点击化学能为我们单细胞技术的发展带来哪些新的见解？

啥？点击化学还能和单细胞测序技术扯上关系？

林语堂老先生说：一切景语皆情语。我们说任何一次化学上的发现都会给生物学带来新天地。没有对核苷酸结构的理解，就不会有基于双螺旋的中心法则。没有手性对称也不会有氨基酸的排列魅力。没有化学键的解构也不会有大分子的拓扑结构。点击化学作为一种起始于21世纪新兴化学反应方法，也必将成为生物化学技术的一部分，这里就内涵地包括测序技术，自然地包含了单细胞测序技术。

通俗莫若百科，我们就来看一下百科上对点击化学的定义：

点击化学（Click chemistry），又译为“链接化学”、“速配接合组合式化学”，是由化学家巴里·夏普莱斯（K B Sharpless）在2001年引入的一个合成概念，主旨是通过小单元的拼接，来快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。它尤其强调开辟以碳-杂原子键（C-X-C）合成为基础的组合化学新方法，并借助这些反应（点击反应）来简单高效地获得分子多样性。点击化学的代表反应为铜催化的叠氮-炔基Husigen环加成反应（Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition）。点击化学的概念对化学合成领域有很大的贡献，在药物开发和生物医用材料等的诸多领域中，它已经成为最为有用和吸引人的合成理念之一。

字里行间我们凭借大学时候的《生物化学》基础知识不难体会到，点击化学的特点：快、准、稳，几乎没有副产物，符合原子经济。我们知道一个经典的化学反应式是这样的：

A + B == C + D

C 和D 往往只有一个我们想要的，总有一个是不需要的副产物，特别是在生物体内这个副产物的影响往往比较大。而点击化学，其实更喜欢“速配组合式化学”这个名字，反应式经常是这样的：

上述基本反应方式预示着点击化学是把不同的东西链接到一起，这不免让人想起单细胞多组学技术一般逻辑：

通过链接某个基团信号，加上一段可测序的定量序列来定量细胞内(或膜)的生物信息。

如我们知道的Cell Hashing(https:///cell-hashing/)技术的逻辑就是用抗体标记细胞膜表面蛋白来定量。

Cell Hashing with barcoded antibodies enables multiplexing and doublet detection for single cell genomics

按照这个思路，利用快速高效的点击化学理念其实可以开发出一些可以与细胞分子或位点链接的信号鱼钩，来钓取大量的单细胞生物信息。当然，这只是一个想法，理论与实际上可行不可行呢？

于2022年点击化学同时获得诺奖的生物正交化学(Bioorthogonal chemistry)介绍里有这么张图吸引了作者注意：

点击化学让化学反应与生物信息之间建立起了有效的桥梁，我们可以设计合适的反应，来获取细胞内或膜的多组学信息。当然在理论上，可以开发出针对发育或疾病的精准的靶向示踪分子库，来集成单细胞多组学技术。

Applications for labelling different molecule types in cells.

我们就以单细胞测序技术中最常见的生物信息鱼钩:PolyT-PolyA为例来看看点击化学的魅力：

最近出现的选择性多聚腺苷酸化(APA)作为驱动转录组表达的有利工具，促进了全基因组多聚腺苷酸化事件的测序方法的蓬勃发展。这些方法的目的是富集、捕获Poly-(A)位点。然而，这些方法通常需要poly(A)富集、3΄连接以及RNA的打断，这可能需要高的起始RNA起始量，增加实验误差和潜在的引入偏差。作者开发了一种基于点击化学生成RNAseq文库库的方法，称为“ClickSeq”。在该方法中，作者采用点击化学来完成cDNA合成定向到细胞RNA的3΄UTR/poly(A)尾，完成poly(A)的定量。通过这种新方法，作者证明了对poly(A)位点连接的敏感和特异性富集，不需要复杂的样品制备、破碎或纯化。Poly(A)-ClickSeq (PAC-seq)是一种生成高质量RNA-seq Poly(A)文库的简单方法。

点击化学不是获得诺贝尔的那一刻才出现的，目前它已经成为生命科学研究的工具之一，也有相应的试剂盒开发出来了，如，https:///product-categories/click-chemistry-reagents、https:///

快速发展的单细胞测序技术在不断吸收各方面的新技术，以从不同维度打开单细胞世界。点击化学或可成为单细胞多组学可发的有力工具（手动之一）。灵活的点击化学也提供了一种通过细胞膜表面糖基修饰将细胞转化为治疗工具的可能。

Click chemistry offers a way to turn cells into potential therapies

节目的最后，推荐一本点击化学的教材，以便大家在自己的科室来教授这门课。

click-chemistry-for-biotechnology-and-materials-science_compress

嘻嘻，看到点击化学与单细胞测序技术的双向奔赴了吗？

Click Chemistry as a Tool for Cell Engineering and Drug Delivery ， Molecules 2019, 24(1), 172; https:///10.3390/molecules24010172 
Scinto, S.L., Bilodeau, D.A., Hincapie, R. et al. Bioorthogonal chemistry. Nat Rev Methods Primers 1, 30 (2021). https:///10.1038/s43586-021-00028-z
Bioorthogonal chemistry: exploring the importance of sugars in the cell
The Future of Bioorthogonal Chemistry,https:///10.1021/acscentsci.8b00251
Bioorthogonal Chemistry: Fishing for Selectivity in a Sea of Functionality,https://onlinelibrary./doi/epdf/10.1002/anie.200900942
Cell “hashing” with barcoded antibodies enables multiplexing and doublet detection for single cell genomics 
https:///10.1021/acscentsci.8b00251
Click and Click-Inspired Chemistry for the Design of Sequence-Controlled Polymers，https://onlinelibrary./doi/epdf/10.1002/marc.201700469
Routh A, Ji P, Jaworski E, Xia Z, Li W, Wagner EJ. Poly(A)-ClickSeq: click-chemistry for next-generation 3΄-end sequencing without RNA enrichment or fragmentation. Nucleic Acids Res. 2017 Jul 7;45(12):e112. doi: 10.1093/nar/gkx286. PMID: 28449108; PMCID: PMC5499544.
https://mp.weixin.qq.com/s/zIFYr6rQ9xhwTgEaFJspIA
https://mp.weixin.qq.com/s/EN6KTxmHfp-03FImKgPgdw
https://new.qq.com/rain/a/20221006A00I3X00