单细胞测序

生物学术语

单细胞测序是指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。

简介

细胞是生物学的基本单位，研究人员正更加努力地尝试将它们进行单个分离、研究和比较。更大更复杂的人类细胞基因组。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逐个细胞比较序列正在变为现实。

最常见的单细胞测序的应用是在肿瘤研究上。来自美国和英国的研究人员近日利用单细胞基因组扩增、测序和装配，从海洋样本中鉴定出一个单细胞细菌。

技术实例

多重退火和成环循环扩增技术（Multiple Annealing and Looping-Based Amplification Cycles, MALBAC）

技术看点：降低PCR扩增偏倚，使得单细胞中93%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。

技术简介：

PCR扩增具有偏好型而且基因组具有大量的冗余，造成了基因组测序准确性不高。

谢晓亮研发的MALBAC技术能从一个细胞的基因组中，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。利用这种方法，进行与加入的引物的DNA复制时，可以完成高达93%的基因组测序。

基于芯片实验室技术的单细胞测序

主要研发人：斯坦福大学Stephen Quake

技术看点：基于lab on a chip开发

技术简介：

本技术设计了一种路线，用液体载运细胞通过一连串显微管道和微阀门，当细胞挨个进入各自的小空位时，它们的DNA就会被提取出来，经过复制用于进一步分析。

此外，本技术不仅能分离细胞，还能用化学试剂将细胞混合起来，通过检测反应过程中的荧光发射获得它们的基因编码。所有这些都能在芯片上完成，不仅操作简单，而且成本效益高。

Stephen Quake已利用此技术完成了第一例人类单细胞测序，他正利用这项技术研究精子细胞中的重组并分析突变率。

基于MDA的单细胞测序

主要研发人：深圳华大基因研究院

技术看点：将多重置换扩增(MDA)和测序技术相结合。

技术简介：

本技术基于多重置换扩增(MDA)，并对该方法的扩增均一性、灵敏度、特异性等方面进行了全面评估。这种将多重置换扩增和测序技术相结合的单细胞测序方法不仅具有更高的分辨率和基因组覆盖度，而且具有更好的敏感性和特异性。该方法从单核苷酸水平上为各种复杂疾病和生物学过程的研究开辟了新思路。

Strand-seq

主要研发人：加拿大英属哥伦比亚大学Peter Lansdorp

技术看点：能捕捉DNA一条链上的信息，使得研究人员能对亲本DNA模板链进行单细胞测序，避免单细胞DNA扩增和测序时丢失定向信息。

技术简介：

在细胞分裂过程中，当双螺旋解旋后，两条染色体上的遗传信息偶然会出现交换，如果这样的交换水平不断提高，就标志着出现了DNA损伤和癌症。传统的基因组测序，由于在单细胞DNA扩增和测序的时候，会丢失定向信息，难以检测到基因重排，因此也就检测不出这一点。

Strand-seq方法能分别对单细胞的双亲DNA模板链进行测序，获得高分辨率的姊妹染色体交换图谱，检测到基因重排，从而发现细胞复制过程中，DNA序列的翻转或交换。

利用Strand-seq方法，研究人员完成了单链DNA测序，并发现了首个基因组压力和不稳定性的痕迹。

研究进展

来自斯坦福大学的Stephen Quake测定了来自一项研究的100个精子的重组率，发现了许多新的重组热点和与间接方法发现的相一致的比率。随后他更深程度地测序了8个精子足以确定突变率。他在会议上报告说发现其比率为每10亿个碱基为30个变异，略高于其他人所发现的。

纽约冷泉港实验室的研究生Timour Baslan正利用单细胞技术来研究癌细胞。他与MD安德森癌症中心的分子遗传学家Nicholas Navin展开了合作。Navin实验室曾开发一种所谓的单核测序（single-nucleus sequencing）技术绘制肿瘤图谱。他们已利用这一技术追查了癌症的进化，追踪了癌症随时间和扩散越来越普遍时不同的细胞亚群。Baslan和同事们在测序前会将遗传条形码添加到每个细胞上，这样使得他们能够将样本集中在一起进行测序，仍然能够识别在混合物中来自单个细胞的序列，一种节约成本的测量。

马里兰州贝塞斯达国家人类基因组研究所的遗传学家Elaine Ostrander称分析单个癌细胞的前景“令人难以置信的兴奋“，以一种“充满希望和优雅”的方式解析了正在肿瘤中发生的事件。但是另一些人则更为谨慎。“得到这些类型的数据是很难的，因为你将不得不对大量的细胞进行测序，”华盛顿大学基因组研究所共同负责人Elaine Mardis说。

哈佛大学谢晓亮院士科研团队于2012年12月21日在《Science》发表一篇关于MALBAC（Multiple Annealing and Looping Based Amplification Cycles）的方法论文章，该方法解决了单细胞微量初始模板进行基因组扩增时过大的扩增偏倚，使基因组测序的模板需求量从µg级降至单细胞水平。该技术在研究人类精子重组方面的独特应用也在顶级科学期刊《Science》公开发表。

“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。

癌症单细胞测序

单细胞测序方法即single cell sequencing（SCS），能准确定量一个单细胞核中基因拷贝数目。由于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。

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