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北大教授开发单细胞测序新技术

来自北京大学的研究人员报告称,他们开发出了一种基于乳液的扩增方法来抑制扩增偏移检测单细胞拷贝数变异(CNV),同时以高精确度检测单核苷酸变异(SNV)。这一方法能够与各种扩增实验方案包括广泛使用的多重置换扩增(MDA)相兼容。这一重要的成果发布在9月4日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。


北京大学的谢晓亮(X. Sunney Xie) 教授及黄岩谊(Yanyi Huang)教授是这篇论文的共同通讯作者。谢晓亮教授是单分子生物物理化学和相干拉曼散射显微成像的开拓者之一,其研究组在离体实验及活细胞内生物系统在单分子水平的动力学研究方面取得了不少重要的成果,尤其是单分子荧光显微技术,比如相干拉曼显微成像技术(CARS、SRS)等方面成果斐然。近年来,他又在单细胞测序技术上取得突破,发表了不少重要成果。黄岩谊教授课题组主要致力于发展应用于集成生物学研究的新技术。


过去二十几年里,随着基因测序技术水平的提高以及千人基因组计划、癌症基因组计划、Meta-Hit计划等重大国际合作项目的相继开展,基因组研究日渐被推向高潮。然而,一直以来的测序材料都是数百万甚至更多细胞的混合DNA样本。这种方法能够得到全基因组序列信息,但是对其进行研究得到的结果只是一群细胞中信号的平均值,或者只代表其中占优势数量的细胞信息,单个细胞独有的特性被忽视。另一方面,有些样品稀少无法在实验室培养,样品量不足以进行全基因组分析,例如肿瘤循环细胞、组织微阵列、早期发育的胚胎细胞等。这些都是全基因组测序遇到的难题。


作为“在单个细胞水平上对基因组进行测序”的单细胞测序技术能够解决上述难题。与传统的全基因组测序相比,单细胞测序不仅测量基因表达水平更加精确,而且还能检测到微量的基因表达子或罕见非编码RNA,其优势是全方位和多层次的。近年来单细胞基因组学揭示出了各种生物学过程,如肿瘤进化、胚胎发育和神经体细胞嵌合前所未有的细节。


下一代测序的全基因组扩增(WGA)技术已被广泛应用生物学和医学领域用于确定单细胞基因组特征。WGA的高度均一性和保真度是精确测定CNVs和SNVs等基因组变异的必要条件。扩增产量沿基因组波动及SNV识别假阳性及假阴性结果限制了当前流行的WGA方法。


在这篇新文章中研究人员报告称,他们开发出了一种乳液WGA (eWGA)方法来克服这些问题。他们将单细胞基因组DNA分到油溶液包裹的大量(105)微微升水滴中。每个水滴中只包含少量的DNA片段,在反乳化作用之前每个水滴便达到了DNA扩增的饱和,因此将片段间扩增的差异被降至最小程度。研究人员进而采用MDA对eWGA方法进行了原理证明。


研究人员表示,这种容易操作的方法可实现在单个人类细胞中同时检测CNVs和SNVs,大大改善了扩增均一性和精确度


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