单细胞测序技术汇总.doc

单细胞测序——2013年最值得关注的测序技术 生物探索 单细胞测序 | 全基因组测序 | 转录组测序 导读 随着现代生物学的发展，细胞群体的研究已不再能满足科研需求。单细胞测序解决了用组织样本测序或样本少时无法解决的细胞异质性难题，为科学家研究解析单个细胞的行为、机制、与机体的关系等提供了新方向。单细胞测序已逐渐成为科研热点。 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，迄今为止使用的测序材料无一例外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。例如，科学家想找出哪种突变存在于哪种细胞中几乎是不可能的，只存在于少数细胞（如早期癌细胞）中的突变也基本上被掩藏。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。 2011年，《自然方法》杂志( Nature Methods )将单细胞测序列为年度值得期待的技术之一[1]，2013年，《科学》杂志（Science）将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首[2]。与此同时，测序巨头相继推出新一代测序仪，为单细胞测序提供利器，越来越多与单细胞测序有关的研究也发表在顶级期刊上，这些都表明，单细胞测序已逐渐成为科研热点，有望成为2013年最值得关注的测序技术。 近年来，流式细胞分选和激光捕获显微切割技术的出现让单细胞的捕获成为可能。单细胞测序技术正逐渐从实验研究方法成为指导临床的有利工具，为基础研究向临床转化搭建了桥梁。单细胞测序主要涉及单细胞基因组测序和转录组测序两方面，分别针对单个细胞的DNA和RNA进行序列分析和比较，进而揭示基因组和转录组的变化。 单细胞全基因组测序 单细胞全基因组测序技术是在单细胞水平对全基因组进行扩增与测序的一项新技术。其原理是将分离的单个细胞的微量全基因组DNA进行扩增，获得高覆盖率的完整的基因组之后通过外显子捕获进而高通量测序用于揭示细胞群体差异和细胞进化关系。 全基因组扩增技术主要分为两种类型：一是基于热循环以PCR为基础的扩增技术，如简并寡核苷酸引物PCR (DOP-PCR)、连接反应介导的PCR (LM-PCR)、扩增前引物延伸反应 (PEP)等；一是基于等温反应不以PCR为基础的扩增技术，如多重置换扩增 (MDA) 和基于引物酶的全基因组扩增 (pWGA)。 在这两种类型中，PCR扩增比较经典，但是，对不同的序列来说，PCR扩增的效率存在相当大的偏差，易产生扩增偏倚问题： 如富含CG的DNA序列和相应基因座位的非随机丢失，等位基因的非随机丢失，以及与DNA片段大小相关的偏差（倾向于扩增更多短片段），尤其是在应用于单细胞时，大量短片段导致片段间序列丢失，从而使其应用受限。 MDA是目前公认的最好的单细胞基因组扩增技术，它能对全基因组进行高保真的均匀扩增，扩增出10~100kb大小的片段，能提供大量均一完整的全基因组序列。但是MDA也有一些缺点，特别是显著的非特异扩增，往往空白对照样品也总是“无中生有”地产生大量的DNA，另外就是仍然存在序列偏差。尽管各种改进的策略正在逐步减少这些缺陷，高覆盖率、高保真性及高特异性的扩增仍然是亟待解决的问题。另外，对测序得到 的大量数据结果的专业分析也是一个重大的挑战。 单细胞全基因组测序正在从基础研究走向临床应用。 单细胞转录组测序 单细胞转录组分析主要用于在全基因组范围内挖掘基因调节网络，尤其适用于存在高度异质性的干细胞及胚胎发育早期的细胞群体。与活细胞成像系统相结合，单细胞转录组分析更有助于深入理解细胞分化、细胞重编程及转分化等过程及相关的基因调节网络。将此技术应用于临床，理论上可以在生理 或病理情况下连续追踪基因表达的动力学变化，从而监测疾病的进展。单细胞转录组分析的另一应用领域是发现亚细胞成分的基因表达谱，例如对在神经元的轴突或树突部分特异表达的基因的转录组的分析，这些基因往往对细胞的生物学功能发挥着重要作用。但是，鉴于目前的技术手段，单细胞转录组测序仍然存在覆盖率低的弊端，导致除mRNA以 外的长非编码RNAs难以检测，并且不能区分正义链与反义链。最近发展的单分子测序技术无需逆转录和扩增步骤而直接对单个细胞的全长mRNA