Science：單細胞測序（上）

日期：2012-05-28 09:03:44

在過去的幾十年里，研究人員對于來自許多物種的成千上萬的基因組進行了測序。幾乎在所有情況下，譯解的DNA都是從數百萬的細胞中提取出來并混合到一起。其結果是大量的數據，但是博德研究所的遺傳學家Joel Hirschhorn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。”這有可能會改變。

在會上，四個小組描述了關于基因組如何生成多樣性和什么導致特異腫瘤耐受治療的新見解——所有的都是來自單個人類細胞DNA測序的結果。他們的報告引發了科學家們對單細胞測序潛力的興奮。“我們才剛剛開始觸及表面，”Hirschhorn說。

由于細胞是生物學的基本單位，研究人員正更加努力地嘗試將它們進行單個分離、研究和比較(Science, 7 January 2011, p. 24)。DNA研究主要涉及的是測序單細胞微生物相對簡單的基因組；而更大更復雜的人類細胞基因組則是一個更大的挑戰。隨著測序成本的大幅度下降，破譯來自單細胞的30億堿基的基因組并逐個細胞比較序列正在變為現實。

對于艾伯特愛因斯坦醫學院的統計遺傳學家Adam Auton而言，單細胞測序提供了一個了解重組（細胞分裂過程中配對染色體交換DNA片段的過程）的窗口。重組通過將各種版本的基因一起放置在新組合中幫助生成了遺傳多樣性。它也是細胞剔除異常DNA的一種方法。

研究人員長期以來一直在尋求一種途徑來測定發生在人類重組量，他們提出了一些間接的方式在家庭中或在群體中對其進行測量。測序和比較單個精子細胞的基因使得直接切更為系統地探究了這一現象，Auton說。

因此，當中國強大的測序機構北京基因組研究所（Beijing Genomics Institute）告訴Auton已經完成了對一名50歲年紀亞洲男性的167個精子的測序時，Auton熱切地想要看到數據。他初期的分析突出了分離單細胞以及可靠地拷貝DNA進行測序是多么的困難。研究人員發現了若干來自多種細胞的DNA序列；然而只有40個達到了標準。通過將每個精子的DNA與來自血液樣本的DNA進行比較，Auton和他的同事們檢測到了近1000次重組事件，每個精子細胞約24.5次，這一數字與來自間接方法的預測相一致。重組在整個染色體不均衡發生，一些“熱點“（“hot spot）代表了重組率增高位點。大多數情況下，Auton發現的熱點與研究人員在其他研究中看到的相一致。然而在15號染色體上也有一個重組波峰，Auton在會議上報告說。

來自斯坦福大學的Stephen Quake一直在利用一種所謂的芯片實驗室（lab on a chip）開發單細胞技術。樣本通過一連串微通道和微閥門分離單個細胞提取出DNA，并拷貝數千次以獲得足夠的量用于測序。Quake報告說他已經解決了許多技術問題。他在去年完成了第一次的人類單細胞測序，現在他正利用這項技術研究精子細胞中的重組并分析突變率。

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