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单细胞测序技术行使和发表近况钻研

【编者按】单细胞测序( Single-Cell Sequencing) 即从单个细胞程度上对基因组进走测序,把基因测序行使到单个细胞层面,对于识别细胞的类型、功能,特定细胞健康或状态的转折、变异至关主要,已普及行使于神经生物学,栽系传播,器官助长,癌症生物学等多个周围。

本文发于火石创造,作者为火石钻研院;经亿欧大健康编辑,供走业人士参考。

单细胞测序技术是指能够在单个细胞的程度上,对基因组或转录组进走高通量测序分析的一项新技术。与传统高通量测序相比,单细胞测序不光能够分析相通外型细胞的异质性,还能获取难以教育微生物的遗传新闻以及贵重的临床样本的新闻,具有汜博的行使前景。

背景概况

细胞是生命的单位,现在大片面的基因检测均是从布局中抽挑DNA来进走测序,得到的实验终局往往是细胞群体中信号外达的均值,是对细胞群体进走集体外征,或者只代外其中在数目上占上风的细胞新闻,单个细胞独有的细胞特性往往被无视。

而大量钻研发现在联相符器官或布局的相通类型细胞也外现出隐微的异质性,每个细胞都有其稀奇的外达模式。例如实体瘤样本的总RNA,一半以上来源于非癌细胞(成纤维细胞、淋巴细胞、巨噬细胞等),使得癌细胞的信号能够被暗藏。所以,采用均值对单个细胞进走外征是分歧适的,能够会丢失很多关键新闻。

另一方面,传统高通量测序手段,难以行使在对当然界中难教育的微生物的钻研、稀奇循环肿瘤细胞的转录组分析、胚胎发生最早期的分化特征钻研、肿瘤的非均质性和微进化钻研等准确程度较高的钻研周围。随着细胞分选和测序技术挺进,单细胞测序技术答运而生。

1、单细胞测序技术颇受关注

《Nature Methods》杂志将单细胞钻研手段列为异日几年最值得关注的技术周围之一。《Science》杂志将单细胞测序列为年度最值得关注的六大周围榜首。

2、单细胞测序技术流程

单细胞别离

针对单个细胞钻研时,最先将单个细胞进走别离,并确保其生物完善性不被损坏。现在常用的单细胞别离手段有不息稀释法、显微操作法、激光捕获显微切割术、拉曼镊子技术、荧光激活细胞分选术和微流控技术等。

细胞消融与基因组获取

对细胞进走消融来获取基因组(DNA或RNA),这步骤专门关键,答尽量保证基因组的完善性。现在细胞消融的手段能够分为3大类: 物理法、化学法和生物酶降解法。

全基因组扩添

因为单个细胞中的基因含量无法达到测序仪的检测线,所以必要对基因组进走扩添,现在手段都是行使DNA 聚相符酶和分歧方法的引物来进走扩添的,包括特异性的、简并的或杂相符的引物。

测序与数据分析

对单个细胞进走测序,并对所得的数据终局进走分析。

单细胞测序技术行使近况

单细胞测序技术能够快速确定成千上万个细胞的准确基因外达模式,分析相通外型细胞的遗传新闻异质性。现在已行使于神经生物学、器官助长、癌症生物学、临床诊断、免疫学、微生物学、胚胎学、产前基因诊断等多个周围。

1、癌症钻研

细胞异质性是肿瘤的主要特征。基因型异质性是指联相符肿瘤内部存在具有分歧基因型的肿瘤细胞,而外型异质性是指联相符肿瘤内部存在具有分歧基因外达谱和功能特征的肿瘤细胞。

多多科研做事者基于单细胞测序技术对肿瘤异质性进走钻研,判定癌变细胞及癌症发展的过程。XU等对肾肿瘤进走单细胞测序,发现肾肿瘤细胞之间的突变频率和位置不尽相通,每个细胞的突变状态和转录情况也均不相通,外明肾肿瘤更添具有异质性,必要开发更添有效的细胞靶向疗法。

2、发育钻研

哺乳动物早期胚胎发育阶段的细胞数目极为稀奇,其转录组分析尤其必要单细胞RNA-Seq技术。

ZHONG等给予2300个妊娠胚胎人脑前额叶细胞绘制出人脑前额叶胚胎发育转录组图谱,发现在发育过程中,神经干细胞、高昂性神经元细胞、按捺性神经元细胞以及星型胶质细胞、少突胶质细胞、幼胶质细胞等六大类细胞占主导地位,展现了神经元产生和环路形成的分子调控机制。

布局器官发育是单细胞RNA-Seq技术行使的另一个主要周围。近年来不息报道了多栽布局器官(包括肺、脑、肾、血液和内耳)发育过程。

3、微生物钻研

因为微生物中的基因含量较矮以及样本稀奇等因为,传统的测序手段无法对难以教育的微生物进走测序。基于准确程度较高,单细胞测序技术能够对单个微生物细胞进走测序,进而发现新的微生物,添深对微生物生命运动过程的认知。SUZANNE等对某个稀疏海洋微生物进走了测序,通太甚析外明该微生物与硫氧化相关,进而发现了参与有氧代谢相关的基因。

国内外当局资金投入情况

1、国外当局投入情况

现在,美国、欧盟等发达国家和地区当局对单细胞测序周围投入了大量资金,用于促进单细胞测序技术的优化与各个周围的行使。

自2008年首,美国最先资助单细胞测序相关项现在,之后不息表现稳定添长趋势。自2014年首,关于单细胞测序的经费数及项现在数目骤添,呈爆发性添长趋势,外明美国近几年对单细胞测序相关项现在标偏重。共资助915个项现在,累计经费5.39亿美元。

另一方面,资助倾向主要包括钻研周围和行使周围,可细分为分子和细胞基础钻研,感染性疾病、肿瘤、心血管与血液病和神经精神疾病钻研,新生医学与干细胞钻研,生物多样性钻研,单细胞测序相关工具、手段的竖立,试剂与仪器设备的开发,资源与平台的竖立等。

2、吾国当局投入情况

吾国单细胞测序技术首步较晚,2010年,NSFC资助2个细胞测序相关钻研项现在,经费77万元。2013年,随着国际对单细胞测序周围的炎度升迁,NSFC投入1500万元用于相关钻研,2014-2015年资助项现在数及资助金额固然稍有回落,但2016年又敏捷增补至23项,超过2000万元。

钻研周围主要包括单细胞测序仪器和技术开发、肿瘤钻研与监测、胚胎发育、微生物基因组钻研、医学免疫学、干细胞钻研、神经科学、在畜牧学、兽医学中的基础和行使钻研、血液疾病等。 

3、国内外当局资金投入比较

现在,吾国NSFC、“863计划”和国家重点研发计划累计在单细胞测序周围资助经费约1亿元,清晰矮于美国不十足统计的5.4亿美元,甚至英国的4千万英镑。

幼结

单细胞测序以单个细胞为单位,议决全基因组或转录组扩添,进走高通量测序,能够展现单个细胞 的基因结议和基因外达状态,逆映细胞间的异质性,在肿瘤、发育生物学、神经科学等周围发挥主要作用,正成为生命科学钻研的焦点。

单细胞测序技术在生物多样性钻研和细胞群体遗传异质性钻研方面具有兴旺上风,将为生命科学钻研人员挑供崭新的视角钻研生命运动。吾国在单细胞测序相关项现在中的资助力度仍显不能,随着单细胞测序技术的深度和广度逐渐强化,仍需添大对该周围的资金声援,并足够行使现有资源推动单细胞测序技术的挺进与行使。

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