哈佛学者Nature子刊发布单细胞基因组学重大突破:ATAC-seq从100到50000!

【字体: 时间:2019年06月25日 来源:生物通

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  改进的单细胞ATAC-seq方法扩展了基因调控研究领域,加快单细胞基因组学研究

  

生物通报道:哈佛大学的科学家与Bio-Rad实验室的研究人员合作,开发了一种快速单细胞测序的新平台。这种新工具将微流体技术和新型软件结合在一起,扩展了单细胞ATAC-seq技术。

这一研究发现公布在Nature Biotechnology,标志着单细胞基因组学研究的重大突破。

什么是单细胞测序?

我们都来自单个细胞,然后很快变成数万亿个细胞组合体。第一个细胞中的基因组被复制到其他细胞中,那我们如何最终变出这么多不同的细胞类型呢?多年来,科学家们一直试图弄清楚基因在不同细胞中的发育过程中是如何开启和关闭的,从而可以有各种细胞,发挥特定的功能。

单细胞测序改变了这一研究领域,使科学家们能够研究单个细胞中的基因。在批量研究细胞时,细胞集合可能看起来是统一的,但实际上包含许多不同的细胞类型。因此,这样的结果代表平均值,能指出研究人员的方向很有前景,但没有提供准确的理解。

单细胞测序帮助研究人员一次只检查一个细胞,正在重新定义基因组研究。它筛选出表面上看起来相似的细胞,发现新的细胞类型,极大地提高了寻找能够驱动身体健康功能或疾病过程的单个基因的能力。

ATAC-seq

ATAC-seq测序全称为Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing,是2013年由斯坦福大学William J. Greenleaf、Jason Buenrostro和Howard Y. Chang实验室开发的用于研究染色质可及性(通常也理解为染色质的开放性)的方法, 原理是通过转座酶Tn5容易结合在开放染色质的特性,然后对Tn5酶捕获到的DNA序列进行测序。

我们每个人体细胞含有两米长的DNA,紧密地包裹在微观核中。 ATAC-seq可识别DNA的哪些部分被解开,从而能有蛋白接近进行调控。

“这有点像打开一个多维的行李箱去拿衣服,”文章作者,哈佛大学杰Fabiana Duarte(来自Jason Buenrostro实验室)说,“如果可以获得基因组的一部分,那么酶可以切割并标记它。然后我们找到所有标记DNA的序列。”

基因受许多不同的蛋白质调控。例如,转录因子与DNA结合,并进行读取。有无数的转录因子,每一个都识别并结合非常特异的DNA序列。该序列称为motif,因为它非常具有特异性,所以可以在ATAC-seq数据中进行标记。

自Buenrostro等人首次开发ATAC-seq以来,这一领域发展迅速。该技术广泛的应用于基因组学界,例如人类细胞图谱项目,用于理解和绘制基因组功能。但是其复杂的过程耗时且效率低,只有一小部分细胞能产生可靠的结果。

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技术改进

这项研究中开发的新方法使ATAC-seq更有效。之前的方法中每次反应可以分析100个细胞,而新方法可以将这个数字扩大到了50,000个!

“我们已经对它进行了扩展,因此可以直接在人体组织中分析许多细胞。这种方法很简单,因此可以在一天内从头到尾完成实验,这能帮助研究人员在更短的时间完成更多的目标”,Buenrostro说。

单细胞测序中最大的挑战之一是分离待研究的细胞。而新方法使用微流体和droplets解决了这个问题。

“我们与Bio-Rad团队合作开发了这种方法,”Duarte说,“这个仪器的一个通道中放置一个细胞,另一个通道添加一种微珠,每个珠子都有一个条形码标签。它们相遇的地方有油,因此会形成液滴。每个液滴都包含一个细胞和一个微珠。你可以添加很多细胞,获取单独标记细胞的数据。”

“理想情况下,每个液滴中都有一个微珠。但实际上,为了确保每个细胞都被贴上标签,液滴最终可能会有一个以上的微珠,”Caleb Lareau说,“我们的新软件可识别这些情况,然后将它们合并,因此您可以识别单个细胞,即使最初可能看起来包含很多细胞。”

“这一系统由于在实验和计算方面的创新,我们现在可以获得95%细胞的数据,”Lareau说。

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加快研究

“这种液滴方法可以帮助所有领域的生物医学研究人员,我为我们取得的成果而感到自豪。在这项研究中,我们还开发了一种方法:给条形码添加了另一层标记,这一就可以增加十倍或更多的细胞数量。它会改变你提出的问题,以及找到答案的速度,我认为这要比目前的研究快许多,”Buenrostro说。

(生物通:万纹)


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