Nature子刊：加州大学新研发单细胞基因组测序技术绘制完整基因

加州大学圣地亚哥分校生物工程师领导的一个研究小组，采用一项新的单细胞基因组测序技术，在只有12纳升体积、充满液体的小孔中完成了基因组扩充，成功绘制来自单个大肠杆菌细胞以及人类大脑单个神经元的最完整基因组序列。相关文章发表于2013年11月10日的《NatureBiotechnology》杂志上。

加州大学新研发单细胞基因组测序技术绘制完整基因组序列

“我们的初步数据表明，来自同一大脑的单个神经元具有不同的遗传组成。这是一个相对较新的观点，我们的方法将使得研究人员能够更详细地检测单细胞之间的基因组差异，”论文通讯作者、加州大学圣地亚哥分校Jacobs工程学院生物工程学系教授张坤(音译)说。

研究人员报告称，采用新方法生成的单细胞基因组序列显示相对较小的“扩增偏倚”——在过去的十年里这是单细胞基因组测序面对的一个最显著的技术障碍。所谓“扩增偏倚”就是指扩增步骤不均一，基因组不同的区域拷贝次数不同。这种不均衡使得许多下游基因组分析变得复杂化，包括从头组装基因组以及鉴别来自同一个体细胞间的DNA内容物差异。

单细胞全基因组测序

测序单细胞基因组引起了许多不同领域研究人员的极大兴趣。例如，探查单个细胞的遗传构成可以帮助研究人员鉴别和了解从生存在我们消化道中和皮肤上的细菌，到存活于海洋水域中的微小生物体等在实验室中无法轻易培育的广泛生物体。此外，研究人员还利用单细胞遗传研究来探究癌细胞、干细胞和人类大脑，越来越多的研究显示构成人类大脑的细胞具有显著的基因组多样性。

“现在我们拥有了极好的机会以更高的分辨率检测单细胞中的基因组，将我们对于大脑内基因组嵌合现象的理解扩展至了DNA序列水平，在这里我们揭示出了神经元基因组的一些新体细胞变化，有可能提供关于正常大脑以及存在于例如阿尔茨海默氏症、帕金森病或精神分裂症等疾病中异常大脑的一些新见解，”论文的共同作者、斯克里普斯研究所Dorris神经科学中心Jerold Chun说。

新测序技术鉴别出了小至100万个碱基对的单拷贝DNA获得或丧失，这是迄今为止单细胞测序方法所能达到的最高分辨率。近期采用一些旧技术的单细胞测序研究只能破译至少300万-600万碱基对的DNA拷贝变化。

在纳米级孔中扩增

扩增在12纳升(nL)体积的微孔中发生，是在发表的单细胞基因组测序试验方案中采用的最小体积的孔。

相比于此前公布的最完整的单个大肠杆菌基因组数据集，新方法获得了超过50%的大肠杆菌基因组，但将测序数据减小了3-13倍。

“这些结果证实，这一微孔取代扩增系统(MIDAS)提供了一种更有效的方法，无需培养即可组装来自单个细胞的细菌全基因组，”作者们写到。

原文摘要：

Massively parallel polymerase cloning and genome sequencing of single cells using nanoliter microwells

Jeff Gole, Athurva Gore, Andrew Richards, Yu-Jui Chiu, Ho-Lim Fung, Diane Bushman, Hsin-I Chiang, Jerold Chun, Yu-Hwa Lo, Kun Zhang

Genome sequencing of single cells has a variety of applications, including characterizing difficult-to-culture microorganisms and identifying somatic mutations in single cells from mammalian tissues. A major hurdle in this process is the bias in amplifying the genetic material from a single cell, a procedure known as polymerase cloning. Here we describe the microwell displacement amplification system (MIDAS), a massively parallel polymerase cloning method in which single cells are randomly distributed into hundreds to thousands of nanoliter wells and their genetic material is simultaneously amplified for shotgun sequencing. MIDAS reduces amplification bias because polymerase cloning occurs in physically separated, nanoliter-scale reactors, facilitating the de novo assembly of near-complete microbial genomes from single Escherichia coli cells. In addition, MIDAS allowed us to detect single-copy number changes in primary human adult neurons at 1- to 2-Mb resolution. MIDAS can potentially further the characterization of genomic diversity in many heterogeneous cell populations.

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