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盘点:单细胞测序研究进展一览

  1. DNA
  2. 单细胞测序
  3. 并行
  4. 癌症
  5. 细胞
  6. 行为

来源:生物谷 2016-01-20 14:55

细胞是生物学的基本单位,近年来研究人员正努力地尝试将它们进行单个分离、研究和比较。而应用而生的就是单细胞测序技术,该技术是指DNA研究中涉及测序单细胞微生物相对简单的基因组,更大更复杂的人类细胞基因组。而随着测序成本的大幅度下降,破译来自单细胞的30亿碱基的基因组并对逐个细胞进行序列比较已经开始变为现实。

细胞是生物学的基本单位,近年来研究人员正努力地尝试将它们进行单个分离、研究和比较。而应用而生的就是单细胞测序技术,该技术是指DNA研究中涉及测序单细胞微生物相对简单的基因组,更大更复杂的人类细胞基因组。而随着测序成本的大幅度下降,破译来自单细胞的30亿碱基的基因组并对逐个细胞进行序列比较已经开始变为现实。

单细胞测序技术可谓是科技发展史上的一大创举。一个细胞里的DNA或RNA仅仅处在皮克级的水平,这么少的量远远达不到现有测序仪的最低上样需求。因此科学家们必须先对单细胞内的微量核酸分子进行扩增,而且必须保证尽可能少地出现技术误差,以便开展后续的测序及其他研究。最近,来自斯坦福大学的研究者就在PNAS上发表文章介绍了人类脑细胞的单细胞转录组测序研究成果,这些结果为构建人类大脑的细胞图谱奠定了基础,而且研究结果还将有助于我们确定神经元、胶质细胞和血管细胞的特定标志物,并将其与其他信息相关联,以便完全阐明人类大脑的细胞复杂性。

本文中小编盘点了近年来单细胞测序技术研究的进展情况。

【1】PNAS:单细胞测序技术应用于癌症无创诊断

著名学术期刊美国《国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)在线发表了北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心谢晓亮、白凡课题组与北大肿瘤医院王洁团队合作的研究结果。在题为“Reproducible copy number variation patterns among single circulating tumor cells of lung cancer patients”的研究论文中,研究人员通过单细胞基因测序手段首次报道了对于癌症病人单个外周血循环肿瘤细胞的全基因组、外显子组测序结果,此项研究对于揭示癌症转移的分子机制具有重要意义,同时还为无创癌症诊断提供了一种新的技术手段。

肿瘤的转移是导致癌症病人死亡的主要原因。早在1896年,澳大利亚籍医生Ashworth首次在癌症病人血液样品中观察到循环肿瘤细胞(Circulating Tumor Cell, CTC)的存在。在肿瘤转移过程中,癌细胞从原发肿瘤脱落,进入血液或淋巴循环系统,其中一些具有高度转移潜能的肿瘤细胞在循环系统中存活下来,成为循环肿瘤细胞,并进一步发展为远端器官转移肿瘤。循环肿瘤细胞是肿瘤发生远处转移的必经步骤,因此在外周血中检测到肿瘤细胞预示着有发生肿瘤转移的可能。

【2】Nature:单细胞DNA测序揭示微生物“暗物质”

天文学家们认为,宇宙总物质量的23%由弥漫于其间且肉眼看不见的“暗物质”组成;现在,美国科学家进行了微生物“暗物质”研究,他们用单细胞DNA测序技术对多种微生物的基因组进行测序后发现,微生物远比我们所知道的要丰富多样,研究同时揭示了不同物种间令人惊奇的关联。

单细胞测序技术使科学家们能通过将单细胞的DNA增大10亿倍来破译其基因组,为研究微生物“暗物质”打开了大门,也有助于厘清微生物之间以及它们与其他物种之间的关联。美国能源部下属联合基因组研究所的谭佳·沃克领导的研究团队选择了201种微生物和古生细菌的细胞,并阅读了其部分基因组(从10%到90%不等,取决于不同细胞)。这些微生物来源于9种不同的生存环境,包括海底热水流火山口以及地下金矿等,没有一种曾被测序或在实验室内培养过。

研究表明,不同生命之间的很多边界并不像以前所认为的那样固若金汤。例如,一种微生物系使用以前被认为仅仅在古生细菌中存在的酶合成出了DNA和RNA的基础组成部分——嘌呤碱基。研究还显示,有3个古生细菌细胞内存在主要作用是启动RNA转录(是蛋白质生物合成的第一步)的西格玛因子,而以前,科学家们认为这些西格玛因子仅出现在细菌体内。

【3】单细胞测序助力中科院刊发《science》 表观遗传研究取得重大突破

单细胞测序解决了用组织样本测序或样本稀少时无法解决的细胞异质性难题,正日益成为科研热点,尤其是在生殖领域的研究中大放异彩。近日,安诺基因与动物所周琪、段恩奎研究组以及上海生命科学院营养所翟琦巍研究组合作,在高脂饮食诱导的父代肥胖小鼠模型中,发现一类成熟精子中高度富集的小RNA(tsRNAs)可为一种表观遗传信息的载体,将高脂诱导的父代代谢紊乱表型传递给子代,成果发表于Science。

很多证据表明,上一代在环境压力下产生的某些获得性性状可以"记忆"在配子中并遗传给下一代。随着人类生活环境和生活/饮食习惯的巨大改变,这种获得性遗传形式对人类繁衍及子孙健康具有深远的影响。这种获得性性状的跨代遗传涉及DNA序列之外的表观遗传信息在配子中的存储及传递,而破解这些表观遗传信息是本领域的一个主要挑战。

【4】Nature:如何利用单细胞mRNA测序发现罕见细胞类型?

近日,来自荷兰的科学家在著名国际学术期刊nature上发表了一项最新研究进展,他们利用一种新的计算方法结合转录组测序发现了小肠中一些罕见的细胞类型,这对于深入了解器官的细胞组成,探究健康和疾病状态下的组织生物学具有重要意义。

理解一个器官的发育和功能需要对组成该器官的所有细胞类型的特性有一个清晰的认识。传统发现和分离细胞亚群的方法是基于几个已知的标记基因表达出来的信使RNA或蛋白质实现的。但是对于一些罕见的细胞类型来说,鉴定出它们特定的标记基因目前仍存在很大挑战。而发现一些罕见的细胞类型,如干细胞,短暂存在的前体细胞,癌症干细胞或循环肿瘤细胞,对于深入理解正常和疾病状态下的组织生物学具有非常重要的意义。

【5】Science:单细胞分析?并行测序技术可以

近日,一项发表于国际杂志Science上的研究论文中,来自美国的研究者描述了一种新型的大规模并行技术,通过利用新一代测序技术来在单细胞水平上实现对基因表达的监测;研究者表示,单细胞分析对于理解人类造血系统的必要性及重要性不断凸显,如果没有这种分析的话,来自少许细胞的大量表达改变就和来自许多细胞的小型表达改变就会变得一样没有差别。

文章中,研究者描述的这种“基于基因表达细胞计数的简单方法”是利用细胞和分子特异性的条形码来使得数万个基因或者成千上万个细胞被同时进行研究;单一的细胞和包含引物的颗粒会被置于微孔板中,当细胞被裂解后mRNA就会同颗粒上的条形码引物进行杂交,这种颗粒可以实现磁性恢复并且移动到小管中进行反向转录和扩增,随后再进行新一代测序分析。

研究者Christina Fan说道,对扩增产物进行测序揭示了一种细胞标签、分子索引以及基因的身份,而计算机分析可以对基于细胞标签的测定序列进行聚合,从而利用相同的分子索引及基因测序信息对其进行拆解,进而实现对每一个细胞的每一个基因确定其完全的转录数量。这种特殊的标签策略及大量的并行技术就可以使得对基因活性的单细胞分子变得可行,从而使得任何研究者都可以利用该方法进行分析。

【6】Science:单细胞测序显示:同一个人的不同神经元DNA序列不一样

之前大家一直认为一个人体内的每个细胞都有相同的遗传信息,基因组的特殊表达模式使得不同细胞的功能各异。然而最近发表在Science杂志上的文章推翻了该观点。

确定一个人的不同神经元的基因组只能采用单细胞基因组测序的方法。索尔克研究所的科学家采用单细胞基因组测序的方法发现同一个人中不同的神经元基因组存在多样性。

该文章的通讯作者Fred Gage博士称,与我们之前的想法不同,不同神经元的遗传标记并不相同,神经元基因组是由不同的DNA片段拼接起来的。

科学家从三位死者体内分离了一百个神经元,采用单细胞测序技术,科学家试图寻找DNA拷贝数的变异性(copy number variations,CNVs)。结果显示41%的神经元拥有独特的CNV,这表明这些神经元并不是来自于同一个亲本。

Gage博士称,我们发现一个人的不同神经元DNA序列不一样,该结果让我们非常惊异,我们必须要设计对照试验表明该现象不是试验操作造成的假象。

【7】Nature:单细胞测序技术研究癌变肿瘤

来自冷泉港实验室、德州大学MD安德森癌症研究中心等处的研究人员提出了一种分析研究癌变肿瘤的新方法,并且研究人员还发现肿瘤可能并不是逐步演变的,而是间断性发生的。这对于肿瘤发生、转移研究具有重要的意义,也有助于临床肿瘤诊断。这一研究成果公布在《自然》在线版上。

领导这一研究的是冷泉港实验室著名遗传学专家Michael Wigler教授,他曾揭示过自闭症的遗传机理,人类基因组的大范围变异,以及乳腺癌分子机理等重要的疾病机理。

这种由冷泉港实验室开发的分析方法就是单细胞测序技术(single cell sequencing,SNS),这种方法能准确定量一个单细胞核中基因拷贝数目。癌细胞中,基因组部分被删除,或者扩增,从而引起关键基因的缺失,或者表达过量,干扰正常细胞生长,因此利用这种方法就能分析基因拷贝数目,从而诊断癌症。

Wigler教授认为,“这项研究证明我们能通过对癌变肿瘤中的一个单细胞进行测序,获得精确的高通量拷贝数”,“检查同一癌症的多个细胞,我们就能了解这种癌症是如何发生与扩散的”。

【8】陆思嘉博士:单细胞测序技术在辅助生殖中的应用

12月3日,由生物谷主办的2015下一代测序发展论坛:行业探讨与临床应用于上海斯波特大酒店隆重召开。江苏亿康基因科技有限公司共同创始人,总经理陆思嘉博士参加了会议并为我们介绍"单细胞测序技术在辅助生殖中的应用"。

陆博士作为多次退火环状循环扩增(MALBAC)技术的发明人,在单细胞全基因组测序方面取得了突破性进展。报告中,他就单细胞测序技术的难点--全基因组扩增技术(WGA)进行讲解,对目前的三种WGA技术进行比较,DOP-PCR的覆盖率不高,MDA的均匀性不好,MALBAC显着提高了扩增的均匀性和精确性,能在低测序深度的情况下精确地鉴定23对染色体中的染色体异常,能对染色体小片段的拷贝数异常进行检测,能对已经确定致病基因位点的单基因疾病进行精确诊断。

随着生育障碍人群的不断扩大,试管婴儿技术越来越受到关注,但目前试管婴儿的活胎分娩率在40%左右,在胚胎植入前进行遗传学筛查和诊断,选择无染色体异常的健康胚胎植入,能显着提高试管婴儿成功率。因此陆博士带领团队将MALBAC技术应用于生殖细胞的单细胞水平全基因组测序,在单细胞水平下全面衡量遗传信息,开展胚胎植入前遗传学诊断(PGD)和胚胎植入前遗传学筛查(PGS)。

【9】单细胞测序再创新突破,安诺基因建立国内首家基因组与转录组平行测序技术平台

2015年4月27日,Nature Methods杂志上发布了一项引人注目的测序技术,基因组与转录组平行测序(Genome and Transcriptome Sequencing, G&T Seq)。该技术实现了对单个细胞内的DNA和RNA平行测序,能够展现单个细胞的基因变异与基因功能之间的关系。作为国内单细胞测序技术整体解决方案的领导者,安诺基因也一直在此方向投入研发,目前也已成功建立了此高难度技术体系,实现单细胞基因组与转录组平行测序,进一步完善了安诺基因在国内首家推出的单细胞多组学研究解决方案。谈及在单细胞测序技术领域的不断建树与突破,总裁陈重建博士表示,单细胞测序技术已经成为科研中的核心应用手段,而全新的单细胞基因组与转录组平行测序技术(G&T-Seq),将有助于我们在更多的生命科学研究上取得一些原创性发现。该技术的推出也进一步奠定了安诺基因在此领域的领先地位。

【10】北大首次将单细胞测序用于癌症无创诊断

著名学术期刊美国《国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)在线发表了北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心谢晓亮、白凡课题组与北大肿瘤医院王洁团队合作的研究结果。在题为“Reproducible copy number variation patterns among single circulating tumor cells of lung cancer patients”的研究论文中,研究人员通过单细胞基因测序手段首次报道了对于癌症病人单个外周血循环肿瘤细胞的全基因组、外显子组测序结果,此项研究对于揭示癌症转移的分子机制具有重要意义,同时还为无创癌症诊断提供了一种新的技术手段。

肿瘤的转移是导致癌症病人死亡的主要原因。早在1896年,澳大利亚籍医生Ashworth首次在癌症病人血液样品中观察到循环肿瘤细胞(Circulating Tumor Cell, CTC)的存在。在肿瘤转移过程中,癌细胞从原发肿瘤脱落,进入血液或淋巴循环系统,其中一些具有高度转移潜能的肿瘤细胞在循环系统中存活下来,成为循环肿瘤细胞,并进一步发展为远端器官转移肿瘤。循环肿瘤细胞是肿瘤发生远处转移的必经步骤,因此在外周血中检测到肿瘤细胞预示着有发生肿瘤转移的可能。

【11】北大教授开发单细胞全转录组测序新技术

北京大学生物动态光学成像中心黄岩谊、汤富酬课题组在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表题为“Microfluidic single-cell whole-transcriptome sequencing”的论文。该研究利用微流控芯片技术实现了高质量单细胞的全转录组测序样品准备,全面提高了单细胞全转录组分析的准确性和可靠性。

细胞是生命活动的基本功能单位,而在生物体内没有任何两个细胞是完全相同的。传统的生命科学与医学研究,绝大多数情况下都是针对混合的大量细胞进行的,无法观察到单个细胞之间细微的差别。近年来不断发展的实验技术,提供了更加定量与客观的证据,表明在许多关键生命过程例如胚胎发育、细胞分化、疾病发生与发展等过程中,特定的单个细胞行为,以及其间的个体化差异与异质性,导致了极其重要甚至是决定性的结果。而之前基于大量细胞平均测量所获得的结果并无法正确反映复杂生物体系的全面真实信息,严重掩盖了独立个体样本的行为以及生命现象中大量存在的随机行为。针对单个细胞的研究,是细胞生命分析技术所追求的极限状态,是对传统技术极大的挑战。(生物谷Bioon.com)

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