谢晓亮单细胞测序技术 谢晓亮院士Science单细胞测序新技术

2017-08-27
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文章简介：生物通报道  人类.草莓.蜜蜂.鸡和大鼠等许多生物体都已经进行过DNA测序.如果说测序个别物种具有挑战性,那么测序单个细胞的DNA无疑更难.为了获得足够的DNA进行测序,通常需要数以千计或甚至数以百万计的细胞.而找出哪种突变存在于哪种细胞中几乎是不可能的,只存在于少数细胞(如早期癌细胞)中的突变也基本上被掩藏.发表在最新一期(12月21日)<科学>(Science)杂志上一项新技术为我们提供了一种拷贝DNA的途径,从而使得单细胞中90%的基因组能够被测序.这种方法使得检测单细胞中较小的DNA序

生物通报道  人类、草莓、蜜蜂、鸡和大鼠等许多生物体都已经进行过DNA测序。如果说测序个别物种具有挑战性,那么测序单个细胞的DNA无疑更难。

为了获得足够的DNA进行测序,通常需要数以千计或甚至数以百万计的细胞。而找出哪种突变存在于哪种细胞中几乎是不可能的,只存在于少数细胞(如早期癌细胞)中的突变也基本上被掩藏。

发表在最新一期(12月21日)《科学》(Science)杂志上一项新技术为我们提供了一种拷贝DNA的途径,从而使得单细胞中90%的基因组能够被测序。这种方法使得检测单细胞中较小的DNA序列变异变得更容易,因此能够发现个别细胞之间的遗传差异。这样的差异可以帮助解释癌症恶化的机制,生殖细胞形成机制,甚至是个别神经元的差异机制(欢迎了解PacBio RS系统的更多信息 )。

领导这一研究是著名华人科学家、美国国家科学院院士谢晓亮(Sunney Xie)教授,谢晓亮教授出身于化学世家,其父为北大化学与分子工程学院著名教授谢有畅。谢教授毕业于北大化学系,1985年赴加州大学圣地亚哥分校攻读博士,1999年被聘为哈佛大学化学与生物系终身教授,是该校仅有的两位中国大陆的终身教授之一。

目前其研究重点是单分子光谱检测及其在生命科学中的应用。谢教授曾获美国物理学会的青年光谱学家奖、以色列总统奖等多项殊荣,现已被聘为北大化学与分子工程学院客座教授。

为了测序单个细胞,研究人员必须首先利用包括PCR在内的技术生成大量的DNA拷贝。然而这些技术存在的一个缺点是:基因组的某些部分相比另一些会生成更大量的拷贝,这一问题被称作扩增偏倚(amplification bias),这会导致基因组最少拷贝的区域淹没,从而无法检测到它们。因此,大多数都尝试让单细胞测序覆盖达到平均大约为基因组的70%——而典型的大约为40%。

在新研究中,谢晓亮教授和同事们开发了一种称作多重退火和成环循环扩增(multiple annealing and looping-based amplification cycles ,MALBAC)的技术,使得他们能够测序单个人类细胞93%的基因组。

在MALBAC中,研究人员首先分离出来自单细胞的DNA,然后添加称作引物的短DNA分子。这些引物可与DNA的随意部分互补,从而使得它们能够附着到DNA链上,充当DNA复制起点。

这些引物由两个部分构成——一个包含8个核苷酸的粘性部分变化多样,可与DNA结合,再加上一个包含27个核苷酸的共同序列。这一共同序列可防止DNA太多次拷贝,大大地降低了扩增偏倚。通过将自身掺入到新拷贝链,从而自身成环,防止了过度拷贝。

简易方法   “MALBAC开启了一扇通往许多重要问题的大门,”加州大学圣地亚哥分校任兵(Bing Ren)说。例如,可用它来检测突变累积的速度,寻找一个细胞群中的基因拷贝数变异和染色体异常。相比其他测序方法,它还可以帮助检测更多基因组的变异。

“我认为人们将会立即开始利用它,” James Eberwine说。Eberwine在宾夕法尼亚大学Perelman医学院从事单细胞遗传学研究。他补充说研究人员或许不得不调整条件,例如引物与基因组DNA的比率,从而能够开展实验工作。

不过,尽管MALBAC相比其他技术对基因组的覆盖更为完全,它并不完美。其仍然错过了大约三分之一的单核苷酸变异。此外,拷贝DNA的酶容易出错,因此拷贝过程本身可以引入不存在于细胞中的变异。

MD安德森癌症中心的Nicholas Navin说,谢晓亮需通过比较来自三个密切相关细胞的单个测序基因组,才能够除去所有的假阳性。这样将会增加成本,可能不适合某些组织样品。