单细胞测序技术的突破[创新技巧]

生物通报道 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。该研究成果发表在9月18日的《Nature Biotechnology》在线版上，暗示δ变形菌有遗传资本来降解叶绿素组分，并有助于海洋环境的生物降解过程。

来自J. Craig Venter研究所、加利福尼亚大学以及Illumina Cambridge公司的研究人员组成了一个研究小组，对加利福尼亚海洋样本中的单个细菌细胞基因组进行了测序。他们仅利用短片段读取，实现了这种不可培养的细菌的基因组装配，获得了宏基因组研究中缺少的细胞特异的遗传信息。

尽管人们希望鉴定出人体内以及环境中生存的各种微生物，但大部分细菌种类不能在实验室中培养，这阻碍了研究人员对它们的测序和研究。尽管宏基因组研究提供了整个细菌群体的遗传信息，但无法为群体中单个成员的遗传性质提供详细资料。

为了了解更多细菌，研究小组利用单细胞测序来深入研究单个细菌细胞的基因组。他们希望利用这种方法来解析微生物如何杀死对方，如何利用环境中的物质，以及更多。

文章的作者之一，加利福尼亚大学的Pavel Pevzner及其同事利用单细胞基因组测序策略来追踪了一种海洋细菌的基因组。这种细菌被称为SAR324，是在La Jolla海采集的，根据16S rRNA测序结果被划分为一种δ变形菌（Deltaproteobacteria）。

他们的单细胞测序方法利用了多次替换扩增、Illumina GAIIx末端配对测序（索取详细资料），以及一种新的单细胞装配算法（EULER+Velvet-SC），旨在解决与多次替换扩增相关的扩增偏向。

研究人员在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌上验证了测序和装配策略的可行性后，随后将研究对象换成SAR324，生成了单细胞基因组序列，能装配成430万个碱基的contig序列，含有3811个开放阅读框。根据目前的研究，他们估计SAR324的整个基因组在4.95-6.42 Mb之间。

尽管还需要进一步研究来弄清SAR324在环境中的作用，但基因组模式表明该细菌是好氧菌，且移动的。结合tRNA、氨基酸和维生素相关基因，研究人员发现了参与有氧代谢、鞭毛形成及趋化作用的基因。

该细菌中的一些基因似乎编码了参与叶绿素组分分解的酶，研究小组据此推断SAR324可能协助降解了光合生物。

今后，研究人员计划使用相似的策略对不同环境中的单个细菌细胞进行测序，从大海深处到医院病房及人体内。作者认为，这种经济高效的方法应该有助于微生物分类和进化的探索，且能够挖掘出一些环境微生物，其基因和通路能够为生物技术和生物医学所用。（生物通 薄荷）

原文摘要

Efficient de novo assembly of single-cell bacterial genomes from short-read data sets

Nature Biotechnology  (2011) doi:10.1038/nbt.1966