《細胞》：單細胞測序助力基因重組圖譜

日期：2012-07-23 08:22:24

來自斯坦福大學醫(yī)學院等處的研究人員發(fā)表了題為“Genome-wide Single-Cell Analysis of Recombination Activity and De Novo Mutation Rates in Human Sperm”的文章，首次公布了來自一個成人男子91個精子的全部基因組序列，這項研究成果第一次繪制了個體基因重組圖譜，也首次發(fā)現(xiàn)了來自同一個人的不同精子的不同突變率。相關成果公布在Cell雜志上。

對精子細胞進行測序十分有趣，因為重組這一天然過程使得一個嬰兒融合了來自TA的四個祖父母的DNA，至今科學家們主要依賴于群體遺傳學的方法，來預測這種重組在單個精子或者卵細胞中發(fā)生的頻率，以及具體的遺傳信息交匯的數(shù)量。但是這種方法比較粗略，無法了解單個細胞的具體情況。

為了解決這個問題，研究人員采用了單細胞測序技術，對每個精子細胞的序列進行了測定，并從中繪制單個精子的基因重組圖譜，這些重要的實驗結果能幫助研究人員分析人類重組的動力學基礎機理，以及其與男性不育癥之間的關聯(lián)。

“對于每個精子和卵細胞，重組這個遺傳交換過程出現(xiàn)的精確位置，頻率和程度都是獨一無二的”，文章的通訊作者，斯坦福大學生物工程與應用物理學教授 Stephen Quake說，“之前我們從未能詳細了解這個過程，每個個體中出現(xiàn)的情況，反映了整體水平，這十分有趣。”

重組過程出現(xiàn)的主要問題會導致精子丟失蛋白，甚至整個染色體，從而引起這些細胞無法，或者也許無法讓卵細胞受精，但是研究人員要了解其中存在的問題，并不容易。

“目前我們使用的評估精子活動的大多數(shù)技術都相對來說，比較粗糙”，Quake教授說。

為了深入了解其中的奧秘，研究人員首先分離并測序了來自一個四十歲男子的將近100個精子細胞，這名男子已生育健康的后代，其精液樣品看上去正常。之前研究人員已經(jīng)以高精度，完成了這名男子的全基因組序列測定（二倍體細胞）。

之后研究人員比較了精子細胞與二倍體細胞的序列，從中他們可以通過比較二倍體細胞和單倍體精子細胞，了解每個重組發(fā)生的情況。

結果研究人員在精子細胞中識別出了25-36個新出現(xiàn)的單核苷酸突變，這些突變在二倍體基因組中沒有出現(xiàn)。這種隨機突變是產(chǎn)生遺傳變異的一種方式，但是如果它們出現(xiàn)在基因組中的特殊位置，那么就會帶來有害的影響。

Quake教授一直在利用一種芯片實驗室(lab on a chip)開發(fā)單細胞技術，在這種技術中，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(shù)千次以獲得足夠的量用于測序。利用這種技術，Quake教授與他的同事分析了這將近100個精子的重組率，發(fā)現(xiàn)了許多新的重組熱點和與間接方法發(fā)現(xiàn)的相一致的比率。