系统生物学走向精致“单细胞”
中国科学报,2013-01-02
2012年，单细胞基因测序技术“老树发新芽”，获得了多方面的研究进展。
几十年前，当科学家们首次绘制出人类基因图谱时，不知点燃多少绝症患者奄奄一息的希望火花。此后，研究人员对草莓、蜜蜂、鸡和大鼠等成千上万物种的基因组进行了测序。由于译解的DNA都是从数百万的细胞中提取出来并混合到一起的，所以数据量巨大。
美国博德研究所的遗传学家乔尔·赫塞豪恩说：“当你看向的是整个细胞群时，有许多的现象，其中包括大量细胞与细胞间的变异，就会变得不再明显。”结果变得不那么明朗，加之高昂的测序成本，使得基因测序陷入沉寂。
出色的2012
单细胞基因测序跳上舞台是因为单细胞技术是一种相对于群体细胞研究而言，针对单个细胞的研究技术。由于培养基或者机体中的细胞存在多样性，或者说是异质性，给许多实验分析带来障碍。“平均值”已经不能满足需要，了解细胞之间的差异性更为迫切。
2012年元月，测序巨头们几乎同时推出了新一代测序仪，为单细胞基因测序提供“利器”，测序竞赛加速升级。
这一年里，几乎每个星期都有重要成果发表在顶级期刊上。来自中国科学院基因组研究所基因组与生物信息平台的凌少平博士介绍，2012年，单细胞基因测序研究在单生殖细胞测序、肿瘤单细胞DNA测序、单细胞转录组测序等方面都有出色发挥。
单生殖细胞测序：
美国斯坦福大学医学中心的研究人员借助单细胞测序技术首次对源自一名男性的91个精子细胞的全部基因组进行了测序，发现许多新的重组热点和与间接方法发现的相一致的比率。 随后他更深程度地测序了8个精子足以确定突变率。这将有助于学界更加了解自然发生的个体遗传突变，对于不孕不育症的科研具有重要意义。
美国艾伯特爱因斯坦医学院的统计遗传学家Auton在2012年冷泉港的基因组生物学会议上报告说，对近200个精子细胞进行的测序，能够估算出捐精给他们的男子的重组率。该研究工作详细结果还未发布，Auton仅表示，他们发现每个精子细胞平均有24.5个重组事件，与来自间接实验的结果相一致。北京大学教授谢晓亮近期的文章也通过测单个生殖细胞来估计重组和染色体加倍。
肿瘤单细胞DNA测序：
美国MD安德森癌症中心的分子遗传学家Navin实验室曾开发出一种所谓的单核测序技术来定量一个单细胞核中基因拷贝数目。他们利用这一技术追踪了癌症随时间扩散时不同的细胞亚群。
Navin继续改良了单核测序。通过挑选出预备进行细胞分裂具有双倍染色体的细胞，减少复制数量和加工步骤，他只需要几毫微克而非几微克的DNA。在基因组生物学会议上，他指出：“当你将放大镜靠得更近些，你就会在碱基水平上检测到更多的变异。”
纽约冷泉港实验室的研究生Timour Baslan正利用单细胞技术来研究癌细胞。他与Navin展开了合作。Baslan说这种方法“现在对于我们而言成为了常规程序”，他可以轻易地绘制数以百计的单细胞图谱。其目标是理解肿瘤的演变和哪些癌细胞将会对各种治疗产生反应。
中国华大基因研究院开发了一种基于多重置换扩增（MDA）的单细胞测序新方法，并将该方法应用于原发性血小板增多症和肾透明细胞癌的肿瘤内部遗传特征研究，同时也对其建立的基于MDA单细胞测序方法，进行了包括扩增均一性、灵敏度、特异性等方面的全面评估。
单细胞转录组测序：
英国研究人员简化了基因组测序的标准流程，首次无需进行文库制备（文库制备是指从测序前基因组样本中提取不同长度的DNA片段，这一过程不仅费力、费时，还会浪费DNA，而新技术能极大地减少DNA的损耗，并缩短测序时间。）便完成了DNA单分子测序。而且新方法只要很少量的DNA就能获得序列数据，仅为常规测序方法的五百分之一到六百分之一。
用这种方法对病毒和细菌的基因组测序后发现，即使在相对较低的水平，也能够确定所检测的是何种有机物，不论样本中是否存在特定的基因或质粒（这对于确定抗生素耐药性很重要），或者其他信息，如对特定DNA碱基的修改等。一旦技术得到优化，将在快速、高效地识别医院和其他医疗场所中的细菌和病毒方面具有很大的应用潜力。
精致的未来
至于在哪些疾病研究上会有突破，中国科学院基因组研究所研究员王前飞认为，只要在疾病发生过程中细胞异质性和细胞群体结构很重要，单细胞测序都是有可能发挥作用的。
不过，目前的所谓单细胞技术手段还无法保证真正区分单个细胞间的“完全”的遗传异质性。举例而言，假设用单细胞测序技术一共测序100个细胞，而只有当3个细胞共有的单碱基突变才被检出的话，其实等同于将100个细胞混合起来测序，检出频率大于等于3%的突变后的结果。
很容易想象，将100个细胞逐个进行全基因组扩增测序的难度和工作量都将远远大于后者混合测序。因此，单细胞测序从生殖细胞到肿瘤细胞，从转录组到外显子组然后到全基因组。
王前飞认为，从2011到2012，经过了两年迅速的技术演进，除吸引了众多研究人员的眼球，单细胞测序仍然处于不成熟的阶段，在技术上和成本上还远没有达到大规模应用的地步。“但我们有理由相信，在不远的未来，单细胞测序将会把组织器官内细胞基因组的异质性研究、干细胞的异质性研究、生殖细胞的遗传重组研究、胚胎的植入前遗传学诊断研究等领域带入一个前所未有的精致程度。”他说。
