說說什么是單細(xì)胞測序(Single-cell sequencing)?普通測序所提取的RNA(或DNA)源于樣本中的多個細(xì)胞,所以普通測序的結(jié)果不可避免的會受到不同細(xì)胞間異質(zhì)性(Heterogeneity)的影響,而單細(xì)胞測序則是針對單個細(xì)胞的基因組進(jìn)行測序,能夠更好地幫助我們認(rèn)識細(xì)胞與細(xì)胞之間的差異。
肯定有童鞋要問了,一個細(xì)胞里的DNA或RNA僅僅處在皮克(Picograms)級的水平,這么少的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)有測序儀的上樣需求,那么單細(xì)胞測序要怎么搞?這就不得不提到全基因組擴(kuò)增(Whole-genome amplification,WGA)這項(xiàng)技術(shù)了,這項(xiàng)技術(shù)顧名思義,就是對全基因組進(jìn)行擴(kuò)增,目前主流上有三類方法(見下圖)。
PCR為基礎(chǔ)的擴(kuò)增方法,在擴(kuò)增的時候?qū)σ恍┨厥馕稽c(diǎn)可能會存在偏好,導(dǎo)致對整個基因組的覆蓋程度不夠。
以MDA(Multiple displacement amplification)為代表的等溫法雖然對基因組的覆蓋程度較好,但是一致性(Uniformity)較差。
而以謝曉亮(Sunney Xie)教授研發(fā)的多重退火和成環(huán)循環(huán)擴(kuò)增技術(shù)(Multiple Annealing and Looping-Based Amplification Cycles, MALBAC)為代表的混合法,在基因組的覆蓋程度和一致性上相比于前兩種方法處于中等。
從全基因組擴(kuò)增這一步來看,擴(kuò)增帶來的誤差會對全基因組測序的精度造成較大的影響。而實(shí)際上單細(xì)胞測序技術(shù)上的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅于此。從第一步細(xì)胞分離開始,就需要較高的實(shí)驗(yàn)操作水準(zhǔn),特別是在面對復(fù)雜的固狀組織時,標(biāo)準(zhǔn)的protocol固然能幫上很大的忙,但是細(xì)致的操作和實(shí)操經(jīng)驗(yàn)更為重要。而擴(kuò)增之后,在基因組中如何選定合適的研究范圍對于降低成本和提高實(shí)驗(yàn)效率至關(guān)重要。
正是由于單細(xì)胞測序所要面臨的重重困難,在2013年以前,單細(xì)胞測序技術(shù)在全世界范圍內(nèi)只有少數(shù)的實(shí)驗(yàn)室才有應(yīng)用。2013年的時候,F(xiàn)luidigm公司推出了一款單細(xì)胞RNA測序自動化準(zhǔn)備系統(tǒng)(Single-cell automated prep system for RNA-seq),這一技術(shù)上的突破使得單細(xì)胞測序變得足夠簡單,成本也降低了很多,這才使得單細(xì)胞測序能夠普及開來。同年,單細(xì)胞測序技術(shù)榮膺Nature Methods的年度技術(shù)。所以說,單細(xì)胞測序技術(shù)雖難,但是童鞋們現(xiàn)在上車并不算晚,車才剛開沒一會。
下面說說我們到底為什么要做單細(xì)胞測序,單細(xì)胞測序到底有哪些應(yīng)用?
前面已經(jīng)提到,同一組織中的細(xì)胞間都是存在異質(zhì)性的,更不必提不同組織、不同系統(tǒng)中細(xì)胞的異質(zhì)性了。這一異質(zhì)性,會影響我們對細(xì)胞基因功能認(rèn)知的準(zhǔn)確性。單細(xì)胞測序能夠幫助我們了解那些難以培養(yǎng)的微生物的基因組功能、了解遺傳鑲嵌功能(Genetic mosaicism)在普通生物學(xué)功能或是疾病發(fā)生中的作用、了解腫瘤內(nèi)在異質(zhì)性對腫瘤發(fā)展以及耐藥性的影響、重新定義細(xì)胞亞型等等。
左為在單細(xì)胞生物中的應(yīng)用,單細(xì)胞測序可以幫助我們搜尋稀有(基因組)微生物;右為在多細(xì)胞生物中的應(yīng)用 ,單細(xì)胞測序可以幫助我們尋找罕見突變,從而了解基因突變和進(jìn)化的信息和其對應(yīng)的生物學(xué)功能。
單細(xì)胞測序的應(yīng)用實(shí)例:
1、Single-CellResolutionof TemporalGeneExpressionduring HeartDevelopment (Dev Cell. 2016 Nov 21)
在子宮內(nèi),心臟最開始是一根管,然后是芽珠狀的硬塊,再通過自動折疊然后變成了我們熟知的四腔結(jié)構(gòu),那么究竟細(xì)胞是如何一步一步進(jìn)行上述程序化的操作的呢?
心臟結(jié)構(gòu)形成過程
該文作者從小鼠胚胎發(fā)育的七個不同階段提取心臟細(xì)胞樣本,他們將細(xì)胞分為三類已知的細(xì)胞——心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞,并觀察它們的基因活性隨時間是如何變化的;他們在小鼠模型中闡明了Nkx2.5雜合突變是如何導(dǎo)致先天性心臟缺陷的。心臟細(xì)胞發(fā)育圖譜的構(gòu)建有助于我們了解基因和細(xì)胞的變化是如何導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)的變化的、基因突變是如何改變每一個細(xì)胞群成熟的方式以及心臟構(gòu)建過程中的重要步驟是什么。
2、Decoupling genetics, lineages, and microenvironment in IDH-mutant gliomas by single-cell RNA-seq (Science. 2017 Mar 31)
星形細(xì)胞瘤和少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤都被認(rèn)為是不治之癥,但手術(shù)和放療可明顯延長生存期。這兩種腫瘤被認(rèn)為是由支持和保護(hù)神經(jīng)元的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的亞型發(fā)育而來的,但在遺傳學(xué)、外觀和基因表達(dá)方面都有所不同。雖然這兩種類型的腫瘤都含有類似的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,它們也都含有該細(xì)胞類型的標(biāo)記,這就引起了人們對它們起源于不同類型細(xì)胞這一普遍看法的質(zhì)疑。
實(shí)驗(yàn)流程
該文研究團(tuán)隊(duì)對10例星形膠質(zhì)瘤樣本中的9800個細(xì)胞和6例少突膠質(zhì)瘤樣本中的4300個細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測序。再結(jié)合癌癥基因組Atlas中的165例轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),研究人員發(fā)現(xiàn),兩種腫瘤都含有3種癌癥細(xì)胞:非增殖性細(xì)胞、類神經(jīng)干細(xì)胞和祖細(xì)胞。其中的非增殖細(xì)胞被細(xì)分為星形膠質(zhì)細(xì)胞樣和少突膠質(zhì)細(xì)胞樣,利用單細(xì)胞測序技術(shù),作者闡明了這兩種細(xì)胞具有相同的起源,其不同之處主要是遺傳學(xué)差異,以及腫瘤微環(huán)境(如特異性免疫細(xì)胞豐度等)組成不同。
在該研究中,作者觀察到即使在更晚期的腫瘤階段,越是分化的腫瘤細(xì)胞越不容易增殖,這意味著,如果可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞分型,將會顯著地控制腫瘤生長。故而作者提出可以使用免疫療法攻擊特定的細(xì)胞類型,從而終止腫瘤的生長的治療策略。