谢晓亮院士Science单细胞测序新技术

发表在12月21日《科学》（Science）杂志上一项新技术为我们提供了一种拷贝DNA的途径，从而使得单细胞中90%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。

　　

生物通报道  人类、草莓、蜜蜂、鸡和大鼠等许多生物体都已经进行过DNA测序。如果说测序个别物种具有挑战性，那么测序单个细胞的DNA无疑更难。

为了获得足够的DNA进行测序，通常需要数以千计或甚至数以百万计的细胞。而找出哪种突变存在于哪种细胞中几乎是不可能的，只存在于少数细胞（如早期癌细胞）中的突变也基本上被掩藏。

发表在最新一期（12月21日）《科学》（Science）杂志上一项新技术为我们提供了一种拷贝DNA的途径，从而使得单细胞中90%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（欢迎了解PacBio RS系统的更多信息 ）。

领导这一研究是著名华人科学家、美国国家科学院院士谢晓亮（Sunney Xie）教授，谢晓亮教授出身于化学世家，其父为北大化学与分子工程学院著名教授谢有畅。谢教授毕业于北大化学系，1985年赴加州大学圣地亚哥分校攻读博士，1999年被聘为哈佛大学化学与生物系终身教授，是该校仅有的两位中国大陆的终身教授之一。目前其研究重点是单分子光谱检测及其在生命科学中的应用。谢教授曾获美国物理学会的青年光谱学家奖、以色列总统奖等多项殊荣，现已被聘为北大化学与分子工程学院客座教授。

为了测序单个细胞，研究人员必须首先利用包括PCR在内的技术生成大量的DNA拷贝。然而这些技术存在的一个缺点是：基因组的某些部分相比另一些会生成更大量的拷贝，这一问题被称作扩增偏倚（amplification bias），这会导致基因组最少拷贝的区域淹没，从而无法检测到它们。因此，大多数都尝试让单细胞测序覆盖达到平均大约为基因组的70%——而典型的大约为40%。

在新研究中，谢晓亮教授和同事们开发了一种称作多重退火和成环循环扩增（multiple annealing and looping-based amplification cycles ，MALBAC)的技术，使得他们能够测序单个人类细胞93%的基因组。在MALBAC中，研究人员首先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。

简易方法
 
“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。

不过，尽管MALBAC相比其他技术对基因组的覆盖更为完全，它并不完美。其仍然错过了大约三分之一的单核苷酸变异。此外，拷贝DNA的酶容易出错，因此拷贝过程本身可以引入不存在于细胞中的变异。

MD安德森癌症中心的Nicholas Navin说，谢晓亮需通过比较来自三个密切相关细胞的单个测序基因组，才能够除去所有的假阳性。这样将会增加成本，可能不适合某些组织样品。

（生物通：何嫱）

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          PacBio RS第三代单分子测序系统全球访谈纪要之二

生物通推荐原文摘要：

Genome-Wide Detection of Single-Nucleotide and Copy-Number Variations of a Single Human Cell

needed to characterize these genomic differences but has been hindered by whole-genome amplification bias, resulting in low genome coverage. Here, we report on a new amplification method—multiple annealing and looping-based amplification cycles (MALBAC)—that offers high uniformity across the genome. Sequencing MALBAC-amplified DNA achieves 93% genome coverage ≥1x for a single human cell at 25x mean sequencing depth. We detected digitized copy-number variations (CNVs) of a single cancer cell. By sequencing three kindred cells, we were able to identify individual single-nucleotide variations (SNVs), with no false positives detected. We directly measured the genome-wide mutation rate of a cancer cell line and found that purine-pyrimidine exchanges occurred unusually frequently among the newly acquired SNVs.