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北大谢晓亮“单细胞测序”技术荣登《Nature Methods》年度方法

北大谢晓亮“单细胞测序”技术荣登《Nature Methods》年度方法

2014 年 1 月《自然-方法》(Nature Methods)上发表年度特别报道,将“单细胞测序”的应用列为 2013 年度最重要的方法学进展。

近几年来,基于单细胞测序技术的科学研究取得了突飞猛进的发展,其成果有望为一些重要的医学问题提供新的解决方案。文章总结了 2013 年单细胞测序技术对于人类早期发育、癌症以及神经科学研究等几个重点领域的最新应用成果。文章特别指出,来自中国北京大学的一些研究团队在这方面完成了许多优秀的工作,做出了突出的贡献。

北大谢晓亮“单细胞测序”技术荣登《Nature Methods》年度方法

单细胞基因组扩增新技术(MALBAC)最早由哈佛大学化学及化学生物学系教授、北京大学生物动态光学成像中心主任 谢晓亮(Xiaoliang Sunney Xie)发明,相关论文 2012 年发表于《科学》 (Science)杂志。该方法通过形成闭合环来抑制 DNA 片段被重复地复制,以保持 DNA 扩增的均匀性,解决了传统方法对单细胞基因组扩增的强烈偏好性的问题。这项突破在单个细胞水平实现了全基因组 93% 的高覆盖率,同时也能准确检测单个肿瘤细胞中的染色体拷贝数异常。

2013 年是单细胞基因组学突飞猛进的一年。由谢晓亮教授 2010 年创建的北京大学生物动态光学成像中心(BIOPIC)在这一领域做出了重要贡献。 2013 年谢晓亮教授哈佛大学课题组与北京大学 BIOPIC 李瑞强研究员小组合作,将 MALBAC 技术应用于人类单个精子基因组的测序研究中。他们对一个亚洲男性的 99 个精子进行了单细胞全基因组 DNA 扩增,并且利用高通量测序技术对每个精子分别进行了一倍深度的测序。这项工作首次实现了高覆盖度的单个精子的全基因组测序,构建了高精度的男性个人遗传图谱,相关论文发表在《科学》杂志上。(详见 Science:单细胞全基因组测序研究精子重组规律和遗传缺陷

美国科学院院士、斯坦福大学教授 Stephen Quake 评价说:“从 PCR 技术被发明的那天起,人们就在尝试将其应用于分析单个细胞的基因组和转录组,但是直到今天单细胞测序才开始迅速发展。”

单细胞检测技术在癌症研究中也开始发挥重要的作用。 2013 年 12 月, BIOPIC 白凡研究员和谢晓亮教授团队与北京大学肿瘤医院的王洁教授团队合作共同在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表文章,对于癌症病人单个外周血循环肿瘤细胞(CTC)的全基因组、外显子组进行了高通量测序,发现在某一类肺癌患者的所有循环肿瘤细胞中存在着一种特定的基因拷贝数变异(CNV)模式,而不同癌种 CTC 细胞的基因组拷贝数变异模式不同,为癌症的早期诊断提供了全新的契机。这也是国际上首次实现对外周血循环肿瘤细胞基因组的高通量测序,标志着利用循环肿瘤细胞基因组测序信息进行肿瘤无创诊断时代的到来。(详见 PNAS:单细胞测序技术应用于癌症无创诊断

由于人类早期胚胎中的细胞数目非常稀少而且很难获得,所以单细胞测序技术无疑对早期胚胎发育研究有着无可替代的重要意义。 2013 年 12 月,谢晓亮教授 BIOPIC 小组和汤富酬研究员小组以及北医三院的乔杰教授小组共同在《细胞》(Cell)上发表文章,对人类单个卵细胞进行了高精度全基因组测序研究。该研究首次详细描绘了人类单个卵子的基因组,建立了人类女性的个人遗传图谱。这一工作可以有效地帮助接受辅助生殖的女性同时检测并排除染色体数目异常的胚胎以及携带单基因突变的胚胎,从而在大幅度提高辅助生殖成功率的同时、降低严重先天性遗传缺陷婴儿的出生率,提高人口素质。目前,该研究团队正在尝试将这项技术应用于胚胎植入前遗传学诊断的临床试验中,获益于这一技术的第一个婴儿将在 2014 年出生,为这一技术途径的广泛应用带来了希望。(详见 Cell:北大学者发布突破性单细胞基因组检测技术

2013 年,汤富酬研究组、李瑞强研究组与北医三院的乔杰教授合作,利用单细胞转录组测序技术,分析了不同时期的人类早期胚胎细胞的基因表达情况,这一研究发现了两千多个全新的可能参与早期胚胎基因表达调控的长非编码RNA。该项工作发表在《自然-结构与分子生物学》杂志上。基因的表达模式与 DNA 的表观修饰有着密切的关系,因此,单细胞的 DNA 甲基化组分析可以用于研究癌症细胞的特异性机理,但是此前的标准方法只能做到同时分析 50-100 个细胞。而同样也在 2013 年,汤富酬课题组首次成功实现了单个细胞 DNA 甲基化组的测序分析。(详见 北大汤富酬等人揭示人类胚胎发育机制

表观遗传学专家 Wolf Reik 对单细胞测序分析的意义做出了充分肯定,他表示:“我之前还不是单细胞团队中的一员,但是我很高兴看到各个领域被单细胞技术推动的如此之快,有了新的技术,我们将会解决更加激动人心的生物学问题”。

文章指出,单细胞测序技术仍然在快速发展过程中,相信不久的将来将出现新一代更好的技术。科学家们期待在新技术的推动下,癌症、生殖发育、神经科学、免疫等领域能够有所突破。

基于一批优秀学者的共同努力,北京大学已经走在了世界单细胞高通量测序领域的前沿,为生殖, 癌症、医疗检测研发等诸多领域的研究做出了突出贡献,也受到了国内外高水平科研期刊的赞誉。目前,北大团队仍然在这一领域继续进行深入的探索。

谢晓亮

北大长江讲座教授;哈佛化学与化学生物学系讲席教授,美国科学院院士。主要研究方向:单分子光谱学、单分子酶学、分子相互作用、构象动态学及大分子的作用机理、活细胞的基因表达、非线性光学成像技术及其生命科学与医学应用

延伸阅读:

Science:单细胞全基因组测序研究精子重组规律和遗传缺陷

PNAS:单细胞测序技术应用于癌症无创诊断

Cell:北大学者发布突破性单细胞基因组检测技术

北大汤富酬等人揭示人类胚胎发育机制

原文检索:

Nature Methods: Method of the Year 2013

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