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科學(xué)家開發(fā)單細(xì)胞全轉(zhuǎn)錄組測序新技術(shù)

時間:2014/5/6閱讀:1309
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2014年4月29日,北京大學(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心黃巖誼、湯富酬課題組在《美國科學(xué)院院刊》(PNAS)上發(fā)表題為“Microfluidic single-cell whole-transcriptome sequencing”的論文。該研究利用微流控芯片技術(shù)實現(xiàn)了高質(zhì)量單細(xì)胞的全轉(zhuǎn)錄組測序樣品準(zhǔn)備,全面提高了單細(xì)胞全轉(zhuǎn)錄組分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

 

細(xì)胞是生命活動的基本功能單位,而在生物體內(nèi)沒有任何兩個細(xì)胞是*相同的。傳統(tǒng)的生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究,絕大多數(shù)情況下都是針對混合的大量細(xì)胞進(jìn)行的,無法觀察到單個細(xì)胞之間細(xì)微的差別。近年來不斷發(fā)展的實驗技術(shù),提供了更加定量與客觀的證據(jù),表明在許多關(guān)鍵生命過程例如胚胎發(fā)育、細(xì)胞分化、疾病發(fā)生與發(fā)展等過程中,特定的單個細(xì)胞行為,以及其間的個體化差異與異質(zhì)性,導(dǎo)致了極其重要甚至是決定性的結(jié)果。而之前基于大量細(xì)胞平均測量所獲得的結(jié)果并無法正確反映復(fù)雜生物體系的全面真實信息,嚴(yán)重掩蓋了獨立個體樣本的行為以及生命現(xiàn)象中大量存在的隨機行為。針對單個細(xì)胞的研究,是細(xì)胞生命分析技術(shù)所追求的極限狀態(tài),是對傳統(tǒng)技術(shù)極大的挑戰(zhàn)。

 

單細(xì)胞測序利用新一代的測序技術(shù)來分析單個細(xì)胞內(nèi)的基因信息,成為解讀單細(xì)胞的*工具。單細(xì)胞全轉(zhuǎn)錄組測序是單細(xì)胞高通量測序需求量zui大的應(yīng)用,它所測定的是單個細(xì)胞內(nèi)所有基因的表達(dá)量,同時還可以測定除了mRNA分子外,其他長非編碼RNA(lncRNA)以及小RNA的含量,定量獲取單個細(xì)胞完整的表達(dá)譜。目前采用的新一代測序技術(shù)中,絕大多數(shù)方法都需要特定的前處理過程,制備“測序文庫”。而針對單細(xì)胞樣品,已有的方法均存在很多缺陷,導(dǎo)致檢測靈敏度不高、基因表達(dá)信息丟失嚴(yán)重、技術(shù)噪音高、操作失誤率高、重復(fù)性差。

 

為了解決這一矛盾,兩個課題組合作開發(fā)了新的文庫制備方法,將zui關(guān)鍵的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組文庫構(gòu)建步驟集成在一個微流控芯片上,可以同時進(jìn)行多個樣品的操作。這一技術(shù)的開發(fā),大大減少了試劑用量,在反應(yīng)效率得到提升的同時極大地抑制了污染的發(fā)生,還減少了操作誤差,實現(xiàn)了更高的可靠性和更好的平行性。

 

通過對幾十個細(xì)胞的分析表明,這一方法可以有效地消除轉(zhuǎn)錄組高度動態(tài)特性所帶來的測量差異,實現(xiàn)對單細(xì)胞異質(zhì)性的分析和判斷。通過多個細(xì)胞較低深度的轉(zhuǎn)錄組測序,可以獲取比同等成本下單個細(xì)胞高深度測序更重要的細(xì)胞異質(zhì)性信息,而更好地展現(xiàn)生物體系的復(fù)雜性、隨機性和動態(tài)過程。而通過微流控芯片上的細(xì)胞操控和主動俘獲過程,還可以擺脫其他類似方法中隨機俘獲的局限性,實現(xiàn)對極其少量細(xì)胞的*俘獲和反應(yīng)前的表型觀察,以更好地理解和驗證單個細(xì)胞的異質(zhì)性。與已有的技術(shù)相比,這一工作展示了目前的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序檢測靈敏度和平行性。

 

黃巖誼博士同時任北京大學(xué)工學(xué)院教授,湯富酬博士同時任北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員。黃巖誼組博士后Aaron Streets博士、趙亮博士和研究生張先念為論文的主要作者。這一工作得到了國家科技部973計劃、863計劃、國家自然科學(xué)基金委及霍英東教育基金會的資助。(來源:科學(xué)網(wǎng))

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