Nature：單細(xì)胞測序（下）

日期：2012-11-02 07:39:11

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，成本大大降低，使得基因組測序成為常規(guī)技術(shù)。然而，大多數(shù)的人類基因組、癌癥或其他仍然是通過從多個細(xì)胞中抽提DNA來進(jìn)行測序，它所忽略的細(xì)胞間的差異對于控制基因表達(dá)、細(xì)胞行為和藥物反應(yīng)卻有可能是至關(guān)重要的。

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該研究小組也觀測了其他類型的乳腺癌。將腫瘤作為一個整體測序，研究小組在癌癥相關(guān)的基因中發(fā)現(xiàn)了6個突變。“這似乎是非常簡單的基因組，”Navin說。但是當(dāng)他的研究小組對四個單細(xì)胞進(jìn)行測序時，他們發(fā)現(xiàn)了“數(shù)以百計的其他突變，其中許多都是個別細(xì)胞獨特或‘專有’的。”除了腫瘤，他的研究小組還研究了一種在實驗室中培養(yǎng)的乳腺癌細(xì)胞系。這樣的細(xì)胞系中的細(xì)胞可能預(yù)計包含相同的基因組，然而在尚未公布的數(shù)據(jù)中，研究小組發(fā)現(xiàn)細(xì)胞與細(xì)胞之間存在大約1%的突變，涉及1.2-2萬個堿基對，當(dāng)一同測序細(xì)胞時則無法檢測到這些變異。在兩項研究中，許多新發(fā)現(xiàn)突變存在于癌基因中，或是在預(yù)計破壞蛋白質(zhì)功能的其他區(qū)域中。

冷泉港實驗室研究生、Navin前同事Timour Baslan說：“Nicholas的工作是極出色的。它包含了許多有用的信息，但是也非常的昂貴。”——每個細(xì)胞需要1000美元或以上。Baslan和他的同事們正在努力降低成本。他們將遺傳條形碼（短的容易追蹤的DNA鏈）添加到細(xì)胞的DNA中，使得他們能夠一同測序細(xì)胞基因組，然后鑒別來自單個細(xì)胞的序列。使用這些條形碼，結(jié)合改進(jìn)的生物信息學(xué)方法，將每個基因組的成本降到每個細(xì)胞60美元。以這樣的價格，更多的研究人員可以隨腫瘤細(xì)胞群增殖和進(jìn)化對需要數(shù)量的細(xì)胞展開研究。“現(xiàn)在我們正對數(shù)百個細(xì)胞進(jìn)行研究，我們考慮在未來能夠做數(shù)千個，”Baslan說。

Baslan研究小組正用這一技術(shù)研究化療后殘留了哪些腫瘤細(xì)胞，以及這些細(xì)胞為何抗藥。Navin說這樣的分析可以指導(dǎo)治療。“通過測序少量單細(xì)胞你可以在化療前了解腫瘤的異質(zhì)性，這有可能會影響你選擇使用哪種藥劑，或是否讓患者經(jīng)受化療，”他說。

每個精子都是神圣的

精子單獨游動的趨勢使得它們適合單細(xì)胞基因組學(xué)研究。艾伯特愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的統(tǒng)計遺傳學(xué)家Adam Auton正利用精子來研究重組，在生殖細(xì)胞形成的過程中重組使得基因重新洗牌，因此影響了遺傳的基因。他說：“重組是形成遺傳多樣性基本的推動力之一。近年來我們了解到在不同的群體間、男女之間，甚至是個體間重組率存在相當(dāng)大的差異。”在人們之中確定重組率一度看來是不可能的，因為這需要尋找有數(shù)百個孩子的個體，并測序他們的基因組。

測序單細(xì)胞的能力意味著研究人員可采用其他的方法。與中國測序業(yè)巨頭華大基因（BGI）的一個研究小組展開合作，Auton對近200個精子細(xì)胞進(jìn)行了測序，能夠估算出捐精給他們的男子的重組率。這項研究工作還未發(fā)布，Auton說研究小組發(fā)現(xiàn)每個精子細(xì)胞平均有24.5個重組事件，與來自間接實驗的結(jié)果相一致。斯坦福大學(xué)生物工程師Stephen Quake對100個精子細(xì)胞展開了相似的實驗，在基因組中鑒別出了幾個更有可能發(fā)生重組的位點。這些重組“熱點”的位置可以幫助種群生物學(xué)家繪制與疾病相關(guān)的遺傳變異的位置。

Quake還對100個精子中的6個精子進(jìn)行了更深入地測序，確定新突變產(chǎn)生的速率：大概每代每10億堿基30個突變，略高于其他人所發(fā)現(xiàn)的。“這基本上是一個精子樣本的種群生物學(xué)，”Quake說。它將使得研究人員能夠更加詳細(xì)地研究減數(shù)分裂和重組。

或許單細(xì)胞測序最有趣的潛在應(yīng)用在于神經(jīng)科學(xué)。加州大學(xué)圣地亞哥分校的神經(jīng)科學(xué)家Alysson Muotri想要研究長散在核元件（long interspersed nuclear elements，LINEs)——可以在基因組移動的“跳躍“基因——是如何使得每個神經(jīng)元彼此不同的。他的研究小組比較了人類大腦、心臟和肝組織的LINEs數(shù)量，發(fā)現(xiàn)腦組織中包含顯著更多的跳躍基因。每個人類神經(jīng)元可能有80-300個獨特的插入，這些差異可能影響了個體對于神經(jīng)疾病的易感性，或為大腦提供了多樣性寶庫，用它對各種挑戰(zhàn)做出反應(yīng)。他說：“我認(rèn)為這是另一個水平的復(fù)雜性。我們觀察大腦，我們想起組織，實際上它就像許多的組織合為一體，因為細(xì)胞是如此的具有異質(zhì)性。幾乎好像是每一個細(xì)胞都為著一個目的而存在。”