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单细胞分析有望加速科学家对人类疾病的深度研究

来源:生物谷 2017-05-15 11:24

近年来,随着科学家们研究的深入和细致,他们慢慢开始转向对单细胞进行精细化深度研究,比如单细胞测序技术,其能够在单个细胞水平上对基因组进行测序,相比传统的全基因组测序相比,单细胞测序不仅能够使得测定的基因表达水平更加精确,而且还能检测到微量的基因表达子或罕见非编码RNA,因此这种新型的单细胞测序技术的优势是全方位和多层次的。

当然科学家们还在众多人类疾病研究领域中都应用了单细胞分析技术,本文中,小编就对近年来相关研究进行了整理,分享给各位,与各位一起学习!

【1】Science:新型单细胞扩增技术有助避免遗传病

中美研究人员在新一期美国《科学》杂志上报告说,他们研制出一种新型单细胞全基因组扩增技术,在此基础上不仅有望避免许多遗传性疾病遗传给后代,从基因组角度更深入地认识癌症也将成为可能。

单细胞研究是当前生命科学研究的重要方向之一。许多关键的生命活动都和细胞间个体差异密切相关;许多重要的生命科学和医学问题所能依赖的样品往往也是极少数细胞。但在相关研究中,由于单个细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)的含量极少,先需要通过全基因组扩增技术将DNA进行扩增,从而便于单细胞测序。

最新单细胞扩增技术名为LIANTI,由美国科学院院士谢晓亮教授领导的研究团队经4年努力研发而成。谢晓亮同时在哈佛大学和北京大学任职。他告诉新华社记者,跟以前技术相比,新技术“在所有指标上都有大幅度提高,让单细胞扩增与测序更加精准”。

【2】Science:单细胞RNA测序揭秘两种脑癌的组成

doi:10.1126/science.aai8478

关于两种脑癌的仔细分析发现这两种脑癌竟来自同一种神经前体细胞,可以通过基因突变模式和微环境组成进行区分。这项由麻省总医院(MGH)和博德研究所的研究人员完成的最新研究于近日发表在Science上。

“我们的研究重新定义了两种携带IDH基因突变的相近的胶质瘤——星形细胞瘤和少突神经胶质瘤。”研究共同通讯作者、MGH病理学系和癌症研究中心教授Mario Suvà博士说道,“尽管我们知道这两种肿瘤基因存在差别,但是我们并不知道它们是否具有相同的细胞来源或者它们基因表达的不同是由于遗传、细胞来源还是肿瘤微环境?”

几项最近的研究已经发现了促进肿瘤生长的基因突变,并根据包含肿瘤细胞和微环境中正常细胞的组织样品基因表达分析给肿瘤分类。但是由于这些分析都是根据大块肿瘤组织进行的,因此可能掩盖了许多重要的信息。

【3】Science:重大突破!利单细胞测序揭示免疫细胞衰老之谜

doi:10.1126/science.aah4115

在一项新的研究中,来自欧洲生物信息研究所(EMBL-EBI)、英国剑桥大学、韦尔科姆基金会桑格研究所和英国癌症研究所(CRUK-CI)的研究人员针对免疫系统为何随着年龄的增加而减弱存在的长期争论提出新的认识。他们的发现表明相比于年轻组织中的免疫细胞,衰老组织中的免疫细胞缺乏协作,并且表现出更多的基因表达变化。相关研究结果发表在2017年3月31日的Science期刊上,论文标题为“Aging increases cell-to-cell transcriptional variability upon immune stimulation”。

解决争论

我们所有人经历与衰老相伴随的功能逐渐下降,但是是什么精确地导致这种下降?它为何在体内不同部分以不同的速率发生?为了寻找答案,科学家们需要在分子水平上揭示每个组织中的所有衰老机制。当前的这项研究着重关注免疫组织,特别是CD4+ T细胞。

免疫系统就好比是交响乐团,具有不同的细胞类型和细胞亚型,它们一起协作抵抗感染。但是随着免疫系统衰老,因迄今为止还不清楚的原因,它对感染作出的免疫反应减弱了。科学家之间的一个长期的争论围绕着两个关键性的假设:这种功能性的减弱是细胞性能减少导致的;这种功能性的减弱归因于细胞间缺乏协作。

【4】重磅!Nat Methods单细胞基因组突变检测取得突破性进展

DOI: 10.1038/nmeth.4227

近日来自爱因斯坦医学院的研究人员宣布开发并验证了一种能够准确鉴定单细胞基因组基因突变的新方法,相关研究发表在Nature Methods上,文章通讯作者为Jan Vijg博士,他是爱因斯坦医学院遗传学系主任和分子遗传学Lola and Saul Kramer主席。

在研究人员能够分析单细胞基因组之前,他们首先需要获得足够的DNA,这个过程叫做全基因组扩增(WGA),但是WGA通常会产生核算序列错误,造成突变的假阳性。在他们的这篇新文章中,Vijg博士及其同事描述了一种能够准确鉴定突变(单核苷酸变异分析)是否存在于单细胞基因组的方法。

研究人员开发的新方法将他们开发的两种技术结合在了一起:叫做单细胞多重置换扩增(SCMDA)和单细胞变异“访客”技术——可以修复基因扩增过程中发生的核苷酸序列错误的技术。通过比较发现这种方法比目前市场上用于基因组分析的技术效果更好。

【5】Nat Genet:单细胞分析解开结直肠癌细胞的神秘面纱!

doi:10.1038/ng.3818

结合单细胞基因组学和计算机技术,一个研究团队(包括来自杰克逊实验室(JAX)单细胞生物学主任Paul Robson博士在内)鉴定出了11种结直肠癌肿瘤的癌细胞组成及邻近的非癌细胞,这对于更好的肿瘤靶向诊断和治疗很重要。

“使用单细胞测序。”JAX科学家、这篇发表在Nature Genetics上的文章共同第一作者Elise Courtois说道,“我们可以根据肿瘤中的细胞组成将结直肠癌进一步分类。因为每种亚型的肿瘤病人生存率存在差别,我们的方法将为肿瘤医生提供更多的关于肿瘤预后和治疗的信息。”

肿瘤基因组测序的进步促进了肿瘤亚型的分类,引导了更精确的癌症治疗,提高了病人生存率。然而肿瘤通常由一系列肿瘤细胞和肺肿瘤细胞组成,这些细胞都促进了肿瘤的生物学发展。

迄今为止,肿瘤基因表达都是通过大转录组方法进行表征,提供的信息代表了许多种类细胞的表达状况。通过使用单细胞转录组分析技术,研究人员现在可以将肿瘤组织分成不同的成分进行分析,因此能够更深入地了解背后复杂的生物学机制。

【6】单细胞基因组突变检测新突破

爱因斯坦研究人员已经开发并验证了一种准确识别单细胞基因组中突变的方法。这种新方法可以帮助预测癌症是否将在看似健康的组织中发展,在今天的自然方法的在线版本中发表的论文中被描述。相应的作者是Lola和Saul Kramer分子遗传学主席Jan Vijg博士。

在科学家可以分析单个细胞的基因组之前,他们必须首先获得足够量的DNA,一个称为全基因组扩增(WGA)的过程。但是WGA通常在核苷酸序列中产生错误,这可能错误地指示突变的存在。在他们的自然方法论文中,Vijg博士和同事描述了一种用于在单细胞的基因组中精确鉴定突变(技术上称为单核苷酸变体)的存在的新方法。

爱因斯坦研究人员的新方法结合了他们开发的两种技术:改进的WGA方法,称为单细胞多位移扩增(SCMDA)和单细胞变体"调用者",其校正可能由基因扩增引起的核苷酸序列错误。头对头的比较表明,爱因斯坦方法优于现在销售的基因组分析的几种方法。

【7】单细胞分析支持癌症干细胞在脑肿瘤生长中的作用

在单细胞水平上分析脑肿瘤基因组学的研究发现,癌症干细胞促进了少突神经胶质瘤的生长,少突神经胶质瘤是一种生长缓慢但不可治愈的脑癌。他们的文章提前在“自然界”杂志上在线出版。由麻省总医院(MGH)和麻省理工学院及哈佛大学研究所的调查员领导的小组,首次识别癌症干细胞及其在人类脑肿瘤样本中的分化后代。

MarioSuvà博士说:“我们的工作强烈支持癌症干细胞是这些肿瘤生长的主要来源,因此,应该被认为是治疗的希望”。

研究表明,癌症干细胞表现出干细胞特征并且可以分化为其他类型的癌细胞,在几种类型的肿瘤的进展和治疗抗性中起作用。最显着的是,血液系统肿瘤类似于白血病。几个研究,支持癌症干细胞在成胶质细胞瘤的侵袭性脑肿瘤中的作用,但是那些研究,涉及诱导人肿瘤在小鼠中生长,因此它们与人类的癌症的相关性已被质疑。

【8】Nature:重磅!单细胞分析阐明癌症干细胞在脑癌中的关键角色

doi:10.1038/nature20123

近日,来自麻省总医院、博德研究所及哈佛大学的研究人员通过联合研究,在单细胞水平上对脑瘤基因组进行了分析,他们发现,癌症干细胞或许能够诱发少突神经胶质瘤的发生,少突神经胶质瘤是一种缓慢发展但却非常难以治愈的脑癌,相关研究刊登于Nature杂志上,同时研究者还首次在人类脑瘤样本中鉴别出了癌症干细胞及其分化的后代细胞。

研究者Mario Suva博士指出,我们的研究工作再次证实了癌症干细胞是脑瘤发生发展的主要来源,同时这些癌症干细胞或许还能够作为潜在的靶点来助力未来新型疗法的开发。如今研究者们越来越清楚癌症干细胞在多种类型肿瘤的进展及疗法耐受性中所扮演的重要角色,比如很多血液系统肿瘤(白血病等);同时还有研究阐明了癌症干细胞在胶质母细胞瘤中的角色,但这些研究都是诱导人类肿瘤在小鼠机体中生长,而且研究者还质疑这种状况同人类机体癌症的相关性到底怎么样。

【9】Nat Biotechnol:科学家们成功绘制出单细胞中短链RNA分子的图谱

doi:10.1038/nbt.3701

近日,刊登在国际杂志Nature Biotechnology上的一项研究报告中,来自瑞典卡罗琳学院的研究人员通过研究成功在单个胚胎干细胞中测定了短链非编码RNA序列的绝对数量。当基因中的信息被使用时,比如当其编码蛋白质时,首先DNA会转录成为信使RNA来作为蛋白质制造的范本,我们的机体细胞中包含有大量的短链非编码RNA序列,这些序列并不能制造蛋白质,而且研究者也并不清楚这些RNA序列的功能,我们最熟知的就是miRNAs了,其能够同信使RNA相互作用,并且调节基因和细胞的功能。

这项研究中,研究者对单个细胞中的短链RNA序列图谱进行了绘制,此前对短链RNA分子的研究基于同时对许多细胞进行分析,而这往往很难研究短链RNA分子的具体功能。研究者Rickard Sandberg教授说道,我们对短链RNA分子仅仅局限于一般的认识,而且我们还绘制了关于短链RNA分子一般机制的图谱,但这并不能够阐明这些分子在不同类型细胞或疾病中所扮演的角色。

【10】Cell:单细胞分析重大突破!利用世界上最小的纳米注射器提取单个活细胞的内含物

doi:10.1016/j.cell.2016.06.025

生物学家对单个细胞的行为而不是对整个细胞群体的行为越来越感兴趣。在一项新的研究中,来自瑞士联邦理工学院(ETH)的研究人员开发出一种新方法可能引发单细胞分析变革。这一技术利用世界上最小的注射器来对单个细胞的内含物进行取样以便进行分子分析。相关研究结果发表在2016年7月14日那期Cell期刊上,论文标题为“Tunable Single-Cell Extraction for Molecular Analyses”。

ETH研究人员开发出一种使用纳米注射器(nanosyringe)的方法,其中这种纳米注射器的微针能够刺入单个活细胞内,提取它们的内含物。比如,该技术可用于体外培养的细胞中,以便研究这些细胞的内含物。这使得科学家能够在分子水平上鉴定出单个细胞之间的差异,以及鉴定和分析稀有的细胞类型。论文共同通信作者、ETH生物学系教授Julia Vorholt说,“我们的方法为生物学研究开辟新的领域。可以这么说,它是一个全新篇章的开始。”

这种新方法具有许多优点:科学家们能够直接对培养皿中培养的组织的单个细胞进行采样。论文第一作者兼论文共同通信作者、Vorholt教授研究团队博士后研究员Orane Guillaume-Gentil说,“这意味着我们能够研究一种细胞如何影响周围的细胞。”利用常规方法开展这类研究是不可能的,这些因为常规的分子分析一般需要首先分离出细胞,然后将它们破坏。

【11】Science最新研究:大规模单细胞测序构建首个人脑神经元表达图谱

DOI:10.1126/science.aaf1204

在一项新的项研究中,来自美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的研究人员开发了首个方法用于人类大脑神经性元不同亚型的鉴定,奠定了"绘制"人脑神经元细胞基因活性方法的基础;同时,可以帮助我们更好的理解人脑正常功能及疾病异常,包括阿尔茨海默氏症、帕金森症、精神分裂症和抑郁症等。通过分离和对单个人类大脑神经元细胞核进行单细胞核转录组测序,研究人员在人脑的六个高级功能区确定了16种神经元亚型。

这项新的研究成果反应了一个逐渐被普遍理解的事实,即个体大脑细胞是独一无二的--这些细胞表达不同的基因,承担不同的功能。为了更好地理解这种多样性,研究人员对分布在脑皮质中6个不同的Brodmann区域,并且承担不同功能的3200多个神经元细胞进行了分析。(生物谷Bioon.com)

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