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為什麼要給單個細胞測序?

2017年08月21日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 2 ℃ 次

【李佳蓓的回答(21票)】:

先熟悉兩個概念:

卵母細胞(話說我一直以為這個念ruanmu,怎麼都打不出這個字。。。文盲害死人):zh.wikipedia.org/wiki/卵母細胞

和減數分裂zh.wikipedia.org/wiki/減數分裂

每個細胞大體上的遺傳信息(DNA)是一樣的,但是也會存在點突變,而且在卵母細胞減數分裂的時候可能產生染色體的非整倍性(aneuploidy)。這篇文章是測了第一第二極體(見卵母細胞詞條),潛在的意義是:

1. 可以讓我們更好的認識卵母細胞減數分裂時的染色體重組

2. 可以在試管嬰兒過程中(植入以前)篩選來自母親方面的染色體數目異常和疾病相關的突變

3. 這年頭做單細胞測序是上high profile雜誌的捷徑

上圖整個實驗的流程。

紅色和綠色分別代表了母親的母本等位基因和父本等位基因(也就是外婆外公?),A中可以看出減數分裂是發生了重組

PB1,PB2:第一第二極體,也就是實驗裡被取出來測序的東西。測他們的好處是:通過他們的遺傳信息可以推斷受精卵中來自母本的遺傳信息;這三個細胞本來就沒什麼用,取出來不影響受精卵。以前好像是等受精卵分裂了以後去裡面的細胞(勞駕哪兒專家來提醒一下是取的哪裡的細胞?),一來對受精卵不大好,而來要等。

謝@garfield 和@李迪 的補充,一般IVF的篩查是在囊胚期(blastocysts,受精後第五天),取細胞測序的。如前段時間號稱「第一例通過第二代測序技術篩選的試管嬰兒」First IVF baby with new embryo screening technique,牛津的Dr Dagan Wells做的,其實只測了2%的基因,能夠看出染色體數目的異常(測了5個受精卵,2個有異常,可見概率還是很高的)。相比之下Cell這篇文章還是進步很大的。

上圖就是發現的疾病相關的單核甘酸突變(SNV)上圖就是發現的疾病相關的單核甘酸突變(SNV)

上圖就是說發現了染色體重組(紅色綠色出現在同一條染色體上了,黃色部分是heterzygous);發現染色體數目異常(圖中的D)上圖就是說發現了染色體重組(紅色綠色出現在同一條染色體上了,黃色部分是heterzygous);發現染色體數目異常(圖中的D)

文章:

Cell - Genome Analyses of Single Human Oocytes

【garfield的回答(9票)】:

不知道題主是不是說的這篇:Cell - Genome Analyses of Single Human Oocytes?

這篇文章的基點是試管嬰兒產前診斷。因為很多尋求試管嬰兒手術的女性年齡都比較大,據說30歲以上女性排出的30%-70%的卵子都有染色體數目異常。通常情況下這些染色體數目異常的卵子即使能成功受精也不會發育成胚胎,這可能是造成試管嬰兒成功率比較低的原因。那麼自然地,要是有一種方法能讓醫生在受精前先把那些有染色體異常的卵子篩掉而只留下正常的卵子話,那麼應該能提高成功率。但是以前的方法都需要直接對卵子測序,這個過程是破壞性的,測完了卵子也沒了。但是這篇paper不直接對卵子測序而是對極體測序(減數分裂過程應該是高中內容,不再贅述),然後通過極體的測序結果推斷卵子的序列。如果沒記錯的話這篇文章比較厲害的點是他們單細胞的擴增效率很高,不但能測出CNV(copy number variation),還能測出點突變的位置。

事實上單細胞甚至單分子生物學現在越來越熱。與以往的基於群體的測量相比,單細胞生物學在某些層面上分辨率更高,這跟你在那個層面上研究有關。比如你可以認為一整個人是一個整體,不同的人有獨立的行為,你可以用能代表一整個人的參數來描述你的研究對象,比如年齡、體重之類,這個分辨率對於研究生物群落之類的問題已經足夠,但你不可能用年齡體重來描述精子是怎麼游動的;你也可以把一塊組織當做一個整體,不同的組織有獨立的行為,若要研究健身的時候不同肌肉群是如何配合、拮抗的,你可以用某塊肌肉附著的位置或者收縮的時候產生的拉力的大小這些參數來描述肌肉的行為,這個分辨率也足夠,但是你也不能用收縮張力大小來研究肌肉收縮的分子機理;同樣的,若是要研究某種癌症是由於那些基因突變造成的,你可以對一整塊癌症測序來找出它們共有的突變位點,但是其實一個癌組織裡每個細胞多少都有點不同,可能某個細胞的某種突變讓它更適合轉移,於是它就轉移了,若是想要研究這個問題,單細胞測序是必須的。Reproducible copy number variation patterns among single circulating tumor cells of lung cancer patients,這篇paper可供參考。

除了單細胞測序,更多的單細胞實驗是用光學成像的方法實現的,也有很多關於gene stochastic expression,heterogeneity 的 paper 使用單細胞方法,就先不貼文獻了。

【徐志超的回答(7票)】:

這麼分析很明瞭:

單細胞RNAseq的意義:不同細胞的基因表達不同,研究不同細胞、組織乃至器官基因表達差異有助於我們加深對遺傳發育以及機體不同組織和細胞基因表達調控的規律,這點極其重要,已取得廣泛共識。

單細胞DNAseq的意義:相比前者共識較少。但是首先我們要知道其實一個個體的所有細胞並不是擁有絕對相同的基因組:

1. 極體的例子其他答案有提,我就不做贅述。

2. 充分證據表明參與免疫的分泌抗體的B細胞基因組在分化中經過複雜的重排以保證產生足夠多樣化的抗體,所以對B細胞的單細胞基因組測序有助於我們瞭解機體如何調控和產生抗體。類似B細胞的基因組複雜重排也可能發生在其他組織,對其進行單細胞基因組測序有助於遺傳發育學研究。

3. 有實驗證據表明,一些癌症組織中各個癌細胞由於未知的原因發生了嚴重的染色體變異而且癌細胞之間變異方式完全不同,所以對癌細胞的單細胞基因組測序有助於我們瞭解一些癌症發生的機制。

4. 實驗證據表明,當機體受到外源DNA入侵如病毒和轉座子時,並不是所有細胞基因組同時受到影響,單細胞基因組測序有助於我們瞭解病毒的入侵機制和轉座子的工作方式以及功能。

拋磚引玉,歡迎補充!

【譚大毛的回答(3票)】:

正好對單細胞測序(Single-cell sequencing,SCS)有些研究,單細胞測序本身被nature method雜誌評為13年的年度技術。

我研究比較多的是SCS在腫瘤當中的應用。其實剛開始接觸這個技術的時候我也有些疑惑,因為細胞之間,特別是腫瘤細胞之間有很強的異質性,為每個單細胞測序又如何代表整個腫瘤群體呢。後來才發現真是因為這種異型性,所以才更需要單細胞技術的發展。上一個簡圖,能夠很清楚的看懂原因。

如圖左邊是正常組織,右邊是腫瘤組織。傳統的測序,組化,定量PCR等常用技術檢測腫瘤與正常組織基因表達差異會得到的結果是A基因明顯高表達。而事實上B基因卻才是導致腫瘤復發,轉移,耐藥的主要基因,由於B表型的細胞過少,使得它的表達量被A基因掩蓋。單細胞測序正好可以彌補傳統技術的這個缺點。如圖左邊是正常組織,右邊是腫瘤組織。傳統的測序,組化,定量PCR等常用技術檢測腫瘤與正常組織基因表達差異會得到的結果是A基因明顯高表達。而事實上B基因卻才是導致腫瘤復發,轉移,耐藥的主要基因,由於B表型的細胞過少,使得它的表達量被A基因掩蓋。單細胞測序正好可以彌補傳統技術的這個缺點。

SCS至少從目前看是有很美好的前景的,他可以為真正的個體化治療提供充足的,關鍵的遺傳、表達信息,從而為治療方案的制定和靶向藥物的選擇和開發打下基礎。

【付蓬芃的回答(10票)】:

題主作為文科生,這麼關注生物學的前沿,真是讓人敬佩哪。

以前我們學到的是一個多細胞生物體中每一個細胞的遺傳物質都是相同的,只是基因選擇性表達讓它們擁有了不同的細胞命運。但現在發現不是這樣的。

不僅僅是癌細胞在發生發展過程中積累了較高的體細胞突變,或者生殖細胞在減數分裂過程中發生了基因重組,事實上,我們身體內的所有細胞都有不同程度的基因獨特性。因為有絲分裂不是百分之百精確的,雖然有多種修復機制修補錯配,總是有些突變積累下來了。

現在我們知道了體細胞的基因有著不同程度的特異性,那這又能告訴我們什麼呢?最重要的就是可以建立cell lineage tree,不懂怎麼翻譯...大概就是細胞譜系樹吧,類似於進化樹。其實單細胞技術就是把生物學研究的層次昇華到了更高的層次,以前我們把單個人的基因組作為單位,建立人群中的lineage tree,現在有了單細胞測序結果,建立cell lineage tree,比如我們現在學癌症基因組的,就可以用它來闡明特定癌症的發生機制,從而可能尋找治療的靶點,這樣明顯比從一大塊癌症組織樣本得來的「平均值」測序結果要高端大氣上檔次呀。

兩個月前science上一篇文章Mosaic Copy Number Variation in Human Neurons,通過單細胞測序得出了一個人的不同神經元中CNV有明顯的差異性(相對於表皮細胞),這些結果可以加深我們對於神經系統發育的理解,可能有助於以後闡明神經系統疾病的發病機制。後來作者還展望了一下轉錄組分析,這個月PNAS上就又看到單細胞轉錄組的文章。

單細胞測序現在真的很熱的捏,但是就像二代測序剛出來的時候一樣,一個新的技術出現會有很多相關研究突破,但是常常技術代替了思考,很多時候僅僅採用這個技術進行分析就能得到很漂亮的結果,到後來有了很多漂亮的結果,這門學科卻沒有相應的深遠的發展,甚至到了瓶頸。希望這個十年過去能見到一丟丟突破的捏。

還有一些和題目不相關的話,完全木有噴題主的意思哦。生物體是很複雜的,我們對生物體的瞭解也是很有限的,千萬不能讓已知的知識限制了視野。舉個栗子,以前以為所有的突變都是癌變的原因,後來發現有驅動基因和沒用的乘客基因,再後來乘客基因也是有用的咩,真不知道以後還有神馬么蛾子,但是心態就是I'm expecting it~~~

【公子大白的回答(0票)】:

這幾個團隊使用的是極體。極體的好處有幾個。第一個是極體本身除了DNA基本上其他的雜物很少了,在離心過濾上省去了幾道。其次是使用極體不會有倫理學上的問題。畢竟這本來就是被人體捨棄的。沒有人會把自己的皮屑當作一個生命吧。測序嘛,肯定是使用單一細胞。多了也沒意思啊。不是給每個細胞測序,而是只測一個細胞,理論上一個人全身細胞是一樣的,但是實際上是不一樣的。理論上大家都是一樣的,實際上人與人之間必然有差別。以後測序便宜了,多來幾個也沒事。可能一口唾沫就可以測序了。

【知乎用戶的回答(1票)】:

單細胞測序其實用處很多啦!

比如癌症吧,起源都是某一個細胞不乖了,自己變成不死之身順便把旁邊的小夥伴們也給同化得不乖了,大家一起鬧著繁殖就變成了腫瘤了。

在臨床上能檢查到癌變的時候都已經是腫瘤發生的較晚時期了,在早起能進行單細胞測序的話盡快找出那一小撮潛在病灶盡快消滅之。

所以不是需要給每一個細胞都測個序,而是找出需要測序的那些來測。

好吧我午休剛看了部動畫片,暫時回答時帶了點後遺症勿怪。

【知乎用戶的回答(0票)】:

說到測序,我突然想到了幾年前一個關於秀麗隱桿線蟲測量的實驗,不過那個不是測序,偏了偏了。

看了樓主的問題,發現樓主語意中關於「遺傳信息」的定義其實只是一種模糊概念,誠然作為個體的人來說,我們一般認為一個人的基因是一樣的,但這只是一種模糊的理解,或者說是一種宏觀上的理解。就本問題而言:基因測序,重在測序,其實理論上是很好進行的,但是由於技術、經驗方面的影響,要做到精準有效的測序是存在一定難度的。測序是進一步、乃至量化理解分析基因的基礎,所以具有非常重要的意義。

【ZhangBill的回答(0票)】:

其實題主自己已經回答了這個問題:「細胞與細胞之間基因圖譜是不同的 」。從最幼稚的理論上來說,機體內每個細胞的DNA是完全一樣的。但是,細胞的每一次分裂過程中,DNA的自我複製都會產生錯誤。這個錯誤就是所謂的體細胞突變。這樣造成在機體內很多細胞都多多少少有點,非常非常少的一點點,不一樣。這些不一樣一般來說沒啥了不起,但是如果你人品不好,這些體細胞突變剛好發生在一些重要的基因上的話,恭喜,你中獎了。現代觀點認為,絕大部分的腫瘤,癌症就是由這些倒霉催的體細胞突變造成的。從這個意義上來說,單細胞測序幾乎是最後最直接的出路去弄清楚各個細胞之間的演化關係的方法。

當然,單細胞測序技術的用途還遠遠不止發現DNA上的突變,比如可以發現細胞特異的甲基化修飾,表達,。。。。。太多了。科學的邊界在你的想像力的盡頭真的是對這一技術最恰當的描述了。

【戎志毅的回答(0票)】:

早些年自己做DNA的多態性,其實這種基因圖譜的不同每個個體都存在,關鍵是要找出具有統計學意義的那些熱點。

標籤:-生物學 -基因 -DNA測序


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