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新的单细胞测序全基因组扩增方法

北京大学生物动态光学成像中心黄岩谊课题组和谢晓亮课题组合作,在单细胞全基因组测序研究中获得取得重要进展,2015年9月4日在《美国科学院院刊》在线报道了一种用于单细胞测序的全基因组扩增新技术——乳液全基因组扩增,简称“eWGA”。该方法与已有的类似技术相比,大幅度提高了扩增的均匀性和准确性,可以同时检测出单细胞中的小片段拷贝数变异(CNV)和高精度的单核苷酸变异(SNV),该方法还具有基因组的高覆盖率并且能降低外源污染。eWGA成为目前综合指标最好的单细胞全基因组扩增技术。

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单细胞研究是当前生命科学研究的重要方向之一。许多关键的生命活动,都和细胞间的个体差异密切相关;许多重要的生命科学和医学问题,所能倚赖的样品往往也是极少数细胞。在单细胞的基因组学研究中,由于DNA的含量极少,先需要通过全基因组的扩增技术将DNA进行扩增。在扩增过程中,由于扩增的不均匀性和酶的拷贝错误,扩增后的DNA和原始的DNA会有很大的区别,从而导致对单细胞DNA拷贝数和关键碱基突变信息的错误判定。


eWGA利用微流控技术,将一个细胞的基因组片段分散在包含有几十万个皮升量级微型反应液滴的乳液中,其中每个液滴中含有约一个待扩增的DNA片段和用于等温多重置换扩增(MDA)的其他原料。对整个乳液体系进行等温扩增时,每个分隔的液滴内都在进行独立的扩增反应。这些独立的反应之间虽然在动力学上存在显著的差异,但是在这一受限体系内可以相继达到饱和。这样,每个片段的扩增比起传统的MDA反应,在均匀性上得到了显著的改善,同时由于使用了高保真度的聚合酶还可以保证扩增结果的高度准确性。


实验结果表明,eWGA方法超越了以往的的单细胞扩增方法,提供了更好的扩增均匀性、更完整的基因组覆盖率和最好水平的复制准确率,无需矫正即可准确检测单个细胞中尺寸更小的CNV并同时实现高精度的SNV检测。将该方法应用于单个癌症细胞中的CNV检测,最高尺寸分辨率可以达到250kb。此外,该方法兼容常见的序列富集方法如外显子富集,具备广阔的医学诊断应用前景。综合考虑,eWGA使得从一个单细胞出发的精确CNV和SNV检测成为可能,是目前最好的单细胞全基因组扩增技术。


论文的第一作者为北京大学研究生傅语思;通讯作者为北京大学生物动态光学成像中心研究员、工学院教授、生命科学联合中心研究员黄岩谊和北京大学生物动态光学成像中心研究员、生命科学学院长江客座教授、哈佛大学教授谢晓亮。这一工作得到了国家自然科学基金委重大科研仪器设备研制专项(21327808)、小分子探针重大研究计划(91313302)和优秀青年科学基金(21222501)的资助。


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