如何同時對單細胞進行多組學研究

2020-12-04 中國生物技術信息網

大多數全基因組分析提供了大量細胞的平均水平，但是最近的技術進步可以克服這個局限。開創性的單細胞分析現在能夠對基因組、表觀基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組譜系進行分析。Cell旗下的Trends inBiotechnology綜述了為同一的細胞提供複雜的譜系，將不同維度的分析組合成多組學分析的方法。

策略

和活細胞螢光成像不同，組學的方法比如新一代測序和質譜是破壞細胞進行分析的。第一代單細胞分析選擇了一種類型的生物大分子(比如DNA、 RNA、染色質、蛋白或代謝產物)就會丟棄其它所有的材料。而現在證實了一個概念：不同的組學可以在同一個細胞進行平行分析。例如，基因組/轉錄組或基因 /蛋白水平。現在已經確定了如圖所示的多組學單細胞分析的五種基本策略。

結合

在相同或相似的生物分子上的實驗分析可以合併成一個單一的操作。例如，基於納米孔測序方法和單分子實時(SMRT)技術所獲得的動力學曲線，不僅反映了DNA序列，也進行了 DNA甲基化檢測。同樣，精心優化質譜檢測可以提供相同細胞的蛋白組學和代謝組學數據。要從單個細胞獲得高品質的集成文件，進一步提高檢測的效率將是必不可少的。

組分分離

不同種類的生物分子可以在從相同的細胞裂解液提取、分離、和獨立分析。例如，最近的一項研究用生物素標記的寡聚dT接頭沉澱總RNA，進行 RNA測序文庫製備，而游離的DNA可擴增後進行DNA測序。這種策略嚴重地依賴分離的質量，因為所有留在錯誤組分中的材料都丟失了。

分別處理

當精確的生化分離不可行時，細胞裂解液可以分別被獨立處理。最近的一項研究通過將裂解液分別進行多步定量PCR反轉錄RNA分析和對DNA抗體報告基因的定量PCR分析。從概念上來說分別處理不如生化組分分離，因為有一些材料不可避免地丟失在錯誤的組分中。它是進行不同分析的最一般的策略。

轉換

不同組學之間的生化轉換使得它們能一起分析。例如，亞硫酸氫鈉處理將DNA甲基化轉換成DNA序列信息，可以進一步與GpC甲基轉移酶處理結合來捕獲DNA甲基化和單細胞核小體定位。它也可以通過對連接細胞核中三維空間接近的DNA片段的操作，獲得單細胞染色體結構的信息。

預測

作為對上述實驗策略的補充，也可以對一個或多個組學直接檢測，而後通過計算機的方法來預測其它的。這五種策略的設為計更加全面的多組學分析提供了一個框架，因為它們可以以許多不同的方式相結合。

應用

單細胞多組學分析能發現其它方法難以處理的問題。

複雜組織和整個器官的數據驅動的分析可能會挑戰我們目前的細胞類型的概念。隨著解析度和單細胞分析的吞吐量，我們可以找出無數的細胞狀態，而不是少數的穩定和不同類型的細胞。

多組學分析的另一個關鍵的應用程式是在醫藥上。許多腫瘤、腫瘤部分區域在耐藥、復發和轉移、變化上不同，綜合數據集可以提供足夠詳細的圖譜來識別的腫瘤內差異的生物學基礎。在平行的多組學分析可以幫助發現不同的耐藥性，例如基於遺傳和表觀遺傳學的改變，從而有助於自適應和個性化治療。

第三個多組學譜系的應用是在生物技術和生態系統中研究不可培養微生物。這些細菌通常很難獲得足夠純的群體進行大量分析，而單細胞的操作是綜合分析的關鍵，例如將一定的蛋白組學和相關的代謝譜系聯繫起來。

最後，測量同一細胞內的細胞狀態的不同方面的能力有望揭開細胞的基因組、表觀基因、轉錄組、蛋白質組與代謝組之間的相關聯繫;可以揭示DNA甲基化、染色質於轉錄起始之間的複雜關係。

結語

第一個單細胞多組學的檢測已經存在了，這預示了單細胞系統生物學是一個令人興奮的新領域。文章預測，關注單細胞作為生物學的核心將為基礎科學提供見解，在生物技術和生物醫學方法提供有效的應用機會。

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