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單細胞基因組,一個新時代的到來

科研動態2016-05-18 10:47

       單細胞基因組旨在通過組學方法研究單個細胞。近年來隨著技術的發展,這一年輕的領域正在迅速成熟起來。單細胞基因組研究的前身可以追溯到用芯片檢測單細胞的基因表達。不過,新一代DNA測序才是單細胞基因組學的大功臣,這些技術的出現讓單細胞基因組研究最終一飛沖天。

       2012年7月,Nature Biotechnology雜志發表了具有里程碑意義的單細胞測序方法——Smart-Seq。Smart-Seq能夠覆蓋整個轉錄組生成全長cDNA,就算是現在,能做到這一點的單細胞測序方案也寥寥無幾。那幾年,許多研究者們都在埋頭改進各種單細胞測序技術的精確性和應用范圍,增加研究通量和減少實驗成本。

        如今,單細胞RNA-seq已經成為了成熟的日常操作,其他形式的單細胞分析開始百花齊放,包括DNA、蛋白質、染色質修飾等等。

單細胞DNA測序

       單細胞全基因組DNA測序是一項富有挑戰性的工作,因為材料損失會導致序列丟失,測序錯誤很難與真正的突變區分開。霍華德休斯醫學研究所的科學家們迎難而上,對人類大腦皮層神經元進行了單細胞測序,并根據發育過程中累積的體細胞突變重建了神經元譜系。他們的研究顯示,正常成年人的單個大腦神經元具有一千多個點突變,而且不同神經元的突變形式并不相同。大多數突變發生在大腦發育完成之后,是基因積極活動時產生的。

單細胞表觀遺傳學分析

       通過單細胞分析來檢測表觀遺傳學狀態是單細胞研究的一大趨勢。DNase I超敏感位點(DHS)是對DNaseⅠ高度敏感的活性染色質區域。哺乳動物細胞的DHS定位,能夠提供轉錄調控元件和染色質狀態的重要信息,一直是科學家們的研究熱點。DNase測序(DNase-seq)是進行全基因組DHS分析的常用方法,不過DNase-seq需要數百萬細胞,大大限制了該技術的應用范圍。去年十一月,美國NIH的趙可吉博士開發了在單細胞中檢測全基因組DHS的超靈敏策略,并將其命名為單細胞DNase測序(scDNase-seq)。

        表觀遺傳學修飾可以在不改變DNA序列的情況下調控基因的活性,對于人類發育、人類疾病和環境影響有深遠的意義。DNA甲基化是最常見的一種表觀遺傳學修飾,廣泛參與了細胞對基因表達的控制,在細胞生長、細胞分化、細胞增殖和疾病狀態中起到了關鍵性的作用。2014年7月,Nature Methods雜志發布了單細胞重亞硫酸鹽測序(scBS-seq)技術。該技術可以對單個細胞的所有DNA甲基化進行全基因組分析,幫助人們進一步理解胚胎的發育機制,更好的進行癌癥和不孕不育的治療。

單細胞蛋白質分析

       談到單細胞蛋白質分析,我們不能不提質譜流式細胞技術(mass cytometry)。這種技術是流式細胞技術與質譜分析技術相結合產生的結晶,利用質譜原理對單細胞進行多參數的檢測。它繼承了傳統流式細胞儀的高速分析的特點,又具有質譜檢測的高分辨能力,是流式細胞技術一個新的發展方向。質譜流式細胞技術能在單細胞水平上同時分析超過40種細胞參數,極大的增強了流式細胞分析評估復雜細胞系統和過程的能力。今年五月Cell雜志發表   “Mass Cytometry: Single Cells, Many Features”綜述,全面介紹了質譜流式細胞技術的現狀,相關儀器,主要應用范圍,數據分析方法,以及未來的發展前景。

       在單細胞研究的大潮中,新的測序方法層出不窮。不過,很少有人對這些方法進行系統的比對。The Scientist雜志最近聯系了單細胞研究領域的一些專家,請他們分享了在單細胞中進行轉錄研究的秘訣,比較了一些常用的單細胞測序技術,包括Smart-seq、CEL-seq、SCRB-seq和Drop-seq。

單細胞分析開始強強結合 

       單細胞研究領域的最新動向,是在一個細胞中同時實現多種檢測分析,比如基因組和轉錄組、轉錄組和甲基化組、RNA和蛋白質。這些技術可以幫助人們將單細胞表型與基因型聯系起來,進一步理解腫瘤和其他疾病的演化。去年四月,Nature Methods雜志發布了引人注目的測序技術——G&T-seq。該技術能夠實現大規模的DNA和RNA平行測序,同時展現單個細胞的基因組序列和基因活性。 研究人員用G&T-seq對220個小鼠和人類細胞進行測序,獲得了空前詳細的信息。他們首次觀察到,當細胞丟失或獲得染色體拷貝時,該區域的基因表達也會出現相應的變化。

       今年一月份,英國和比利時的研究人員在Nature Methods雜志上發表文章,描述了一種在單細胞中同時分析表觀基因組及轉錄組的新測序方法。這一技術可以幫助研究者們精確描繪DNA甲基化改變與基因表達之間的關系。五月份,加州大學范國平教授和同濟大學薛志剛教授在Genome Biology雜志上發布了自己開發的測序技術——scMT-seq。這種方法能夠同時分析細胞的轉錄組和甲基化組,在單細胞中揭示DNA甲基化與基因表達的直接關聯。

單細胞數據分析正在迎頭趕上

       單細胞基因組技術正在迅猛發展,單細胞計算分析也在奮起直追。統計和計算方法是單細胞基因組研究的核心,只有正確的方法才能幫助我們從數據中提取有意義的生物學信息。前不久,德克薩斯大學MD安德森癌癥中心的研究人員開發了首個用于單細胞DNA測序的突變檢出程序——Monovar。這一重要研究成果于今年四月發表在Nature Methods雜志上。研究人員認為Monovar是單細胞測序評估SNV的一大進步,能夠為人們提供多種疾病的關鍵信息。精確檢測SNV對于癌癥診療、個性化醫療和產前診斷非常重要,而Monovar在這些方面有著廣闊的應用前景。

來源:生物通

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