科學網—系統生物學走向精緻「單細胞」

2020-11-27 科學網

 

■本報記者 王晨緋

 

2012年，單細胞基因測序技術「老樹發新芽」，獲得了多方面的研究進展。

 

幾十年前，當科學家們首次繪製出人類基因圖譜時，不知點燃多少絕症患者奄奄一息的希望火花。此後，研究人員對草莓、蜜蜂、雞和大鼠等成千上萬物種的基因組進行了測序。由於譯解的DNA都是從數百萬的細胞中提取出來並混合到一起的，所以數據量巨大。

 

美國博德研究所的遺傳學家喬爾·赫塞豪恩說：「當你看向的是整個細胞群時，有許多的現象，其中包括大量細胞與細胞間的變異，就會變得不再明顯。」結果變得不那麼明朗，加之高昂的測序成本，使得基因測序陷入沉寂。

 

出色的2012

 

單細胞基因測序跳上舞臺是因為單細胞技術是一種相對於群體細胞研究而言，針對單個細胞的研究技術。由於培養基或者機體中的細胞存在多樣性，或者說是異質性，給許多實驗分析帶來障礙。「平均值」已經不能滿足需要，了解細胞之間的差異性更為迫切。

 

2012年元月，測序巨頭們幾乎同時推出了新一代測序儀，為單細胞基因測序提供「利器」，測序競賽加速升級。

 

這一年裡，幾乎每個星期都有重要成果發表在頂級期刊上。來自中國科學院基因組研究所基因組與生物信息平臺的凌少平博士介紹，2012年，單細胞基因測序研究在單生殖細胞測序、腫瘤單細胞DNA測序、單細胞轉錄組測序等方面都有出色發揮。

 

單生殖細胞測序：

 

美國史丹福大學醫學中心的研究人員藉助單細胞測序技術首次對源自一名男性的91個精子細胞的全部基因組進行了測序，發現許多新的重組熱點和與間接方法發現的相一致的比率。 隨後他更深程度地測序了8個精子足以確定突變率。這將有助於學界更加了解自然發生的個體遺傳突變，對於不孕不育症的科研具有重要意義。

 

美國艾伯特愛因斯坦醫學院的統計遺傳學家Auton在2012年冷泉港的基因組生物學會議上報告說，對近200個精子細胞進行的測序，能夠估算出捐精給他們的男子的重組率。該研究工作詳細結果還未發布，Auton僅表示，他們發現每個精子細胞平均有24.5個重組事件，與來自間接實驗的結果相一致。北京大學教授謝曉亮近期的文章也通過測單個生殖細胞來估計重組和染色體加倍。

 

腫瘤單細胞DNA測序：

 

美國MD安德森癌症中心的分子遺傳學家Navin實驗室曾開發出一種所謂的單核測序技術來定量一個單細胞核中基因拷貝數目。他們利用這一技術追蹤了癌症隨時間擴散時不同的細胞亞群。

 

Navin繼續改良了單核測序。通過挑選出預備進行細胞分裂具有雙倍染色體的細胞，減少複製數量和加工步驟，他只需要幾毫微克而非幾微克的DNA。在基因組生物學會議上，他指出：「當你將放大鏡靠得更近些，你就會在鹼基水平上檢測到更多的變異。」

 

紐約冷泉港實驗室的研究生Timour Baslan正利用單細胞技術來研究癌細胞。他與Navin展開了合作。Baslan說這種方法「現在對於我們而言成為了常規程序」，他可以輕易地繪製數以百計的單細胞圖譜。其目標是理解腫瘤的演變和哪些癌細胞將會對各種治療產生反應。

 

中國華大基因研究院開發了一種基於多重置換擴增（MDA）的單細胞測序新方法，並將該方法應用於原發性血小板增多症和腎透明細胞癌的腫瘤內部遺傳特徵研究，同時也對其建立的基於MDA單細胞測序方法，進行了包括擴增均一性、靈敏度、特異性等方面的全面評估。

 

單細胞轉錄組測序：

 

英國研究人員簡化了基因組測序的標準流程，首次無需進行文庫製備（文庫製備是指從測序前基因組樣本中提取不同長度的DNA片段，這一過程不僅費力、費時，還會浪費DNA，而新技術能極大地減少DNA的損耗，並縮短測序時間。）便完成了DNA單分子測序。而且新方法只要很少量的DNA就能獲得序列數據，僅為常規測序方法的五百分之一到六百分之一。

 

用這種方法對病毒和細菌的基因組測序後發現，即使在相對較低的水平，也能夠確定所檢測的是何種有機物，不論樣本中是否存在特定的基因或質粒（這對於確定抗生素耐藥性很重要），或者其他信息，如對特定DNA鹼基的修改等。一旦技術得到優化，將在快速、高效地識別醫院和其他醫療場所中的細菌和病毒方面具有很大的應用潛力。

 

精緻的未來

 

至於在哪些疾病研究上會有突破，中國科學院基因組研究所研究員王前飛認為，只要在疾病發生過程中細胞異質性和細胞群體結構很重要，單細胞測序都是有可能發揮作用的。

 

不過，目前的所謂單細胞技術手段還無法保證真正區分單個細胞間的「完全」的遺傳異質性。舉例而言，假設用單細胞測序技術一共測序100個細胞，而只有當3個細胞共有的單鹼基突變才被檢出的話，其實等同於將100個細胞混合起來測序，檢出頻率大於等於3%的突變後的結果。

 

很容易想像，將100個細胞逐個進行全基因組擴增測序的難度和工作量都將遠遠大於後者混合測序。因此，單細胞測序從生殖細胞到腫瘤細胞，從轉錄組到外顯子組然後到全基因組。

 

王前飛認為，從2011到2012，經過了兩年迅速的技術演進，除吸引了眾多研究人員的眼球，單細胞測序仍然處於不成熟的階段，在技術上和成本上還遠沒有達到大規模應用的地步。「但我們有理由相信，在不遠的未來，單細胞測序將會把組織器官內細胞基因組的異質性研究、幹細胞的異質性研究、生殖細胞的遺傳重組研究、胚胎的植入前遺傳學診斷研究等領域帶入一個前所未有的精緻程度。」他說。

 

《中國科學報》 (2013-01-01 第21版 展望)

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