加快单细胞基因组学研究加快单细胞基因组学研究

哈佛大学的科学家们已经开发出一种方法,可以大大加快单细胞测序的速度,这一进展有望给生物医学基因组学研究带来重大推动。

这种新方法结合了微流体技术和新型软件来加速单细胞ATAC-seq,该技术可以识别基因组中开放且可被调控蛋白利用的部分。在6月24日发表于《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上的一篇文章中详细介绍了这项创新,它是哈佛大学干细胞与再生生物学(HSCRB)部门与Bio-Rad实验室研究人员合作的成果。

“我们已经把它放大了,这样我们就能以一种直接的方式分析人体组织中的许多细胞。方法很简单,所以你可以在一天内运行实验,从头到尾。这将使研究人员在更短的时间内取得更大的成就。

多年来,科学家们一直在试图弄清楚基因在不同细胞发育的不同时期是如何开启和关闭的,以便细胞能够执行特定的功能。毕竟,所有的生命都是从一个单细胞开始的,但很快就会变成数万亿。第一个细胞中的基因组被复制到其他所有细胞中,那么我们最终怎么会有这么多不同的细胞类型呢?

单细胞测序改变了这一研究领域,使科学家能够研究单个细胞的基因,而不是包含许多不同细胞类型的大块组织。研究更大的样本可以为研究人员指明一个有希望的方向,但不能提供精确的洞见。观察单个细胞可以更容易地区分细胞类型,并找到驱动身体健康功能或疾病过程的单个基因。

在这项研究中,研究人员重点研究了一种名为ATAC-seq的测序方法(利用测序方法测定转座酶可达染色质)。每个人类细胞都含有两米长的DNA,紧密地包裹在显微镜下的细胞核中。ATAC-seq可以识别DNA的哪些部分可以解开并被蛋白质所利用。

“这有点像打开一个多维行李箱去拿衣服,”该研究的联合首席作者、哈佛大学布恩罗斯特罗实验室的博士后法比亚娜杜阿尔特(Fabiana Duarte)说。“如果基因组的某一部分是可获得的,一种酶可以切割并标记它。然后我们找到所有标记的DNA序列。”

Three researchers Fabiana Duarte, Jason Buenrostro and Caleb Lareau合著者Fabiana Duarte(左),合著者Jason Buenrostro,合著者Caleb Lareau。玛丽·托德·伯格曼/哈佛大学

基因由许多不同的蛋白质控制。例如,转录因子与一段DNA结合,帮助打开或关闭基因。转录因子不计其数,每一种转录因子都能识别并与特定的DNA序列结合。每个序列被称为一个基序,因为它是如此具体,它可以标记在ATAC-seq数据。

ATAC-seq于2013年由Buenrostro和他的同事首先开发出来,现在它在基因组学中得到了广泛的应用,例如在人类细胞图谱项目中,它被用来理解和绘制基因组功能。为了反映这项工作的影响,麻省理工学院的《技术评论》(Technology Review)本周将布恩罗思特罗列为2019年“35岁以下创新者”之一。

到目前为止,ATAC-seq一直是一个费时低效的过程,只有一小部分细胞产生可靠的结果。以前的方法使每次反应可以分析100个细胞,而新方法可以分析50000个细胞。

开发新方法的最大挑战之一是分离待研究的细胞。新方法利用微流体和液滴来解决这一问题。

Duarte说:“我们和Bio-Rad团队一起研究了这种方法。”该设备的一个通道传输一个单元,另一个通道添加一个珠子——每个珠子都有一个条形码标记。在它们相遇的地方,就有油滴。每个液滴都有一个细胞和一个珠。你可以在设备中添加大量的单元格来获取单个标记单元格的数据。”

但正如任何计算生物学家都会告诉你的那样,细节决定成败。

“理想情况下,你应该在每个水滴中有一颗珠子。但在实践中,以确保每个细胞标记,水滴最终可以有不止一个珠子,“Lareau迦勒说,该研究和艺术与科学研究生院研究生Buenrostro的实验室。”我们的新软件识别这些案例并合并它们,所以你可以识别单个细胞可能起初看起来像许多。”

这种新方法带来了丰厚的回报。“由于实验和计算上的创新,我们现在可以得到95%的植入机器的细胞的轮廓。这个比例从20%上升到30%,就像白天黑夜一样。”

“这种液滴方法将作为一种现成的技术提供给所有领域的生物医学研究人员,我真的很自豪,我们帮助它走到这个阶段,”布恩罗斯特罗说,他也是哈佛干细胞研究所的一名教员。“在这项研究中,我们还在方法中开发了一种方法:条形码添加了另一层标签,使我们能够增加10倍或更多的细胞数量。它会改变你能问的问题,以及你能多快找到答案。我认为我们将看到研究进展得更快。”

这项研究通过保罗·g·艾伦前沿小组(Paul G. Allen Frontiers Group)、陈·扎克伯格倡议(Chan Zuckerberg Initiative)和美国国立卫生研究院(NIH F31CA232670)获得了艾伦杰出研究员项目的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/06/new-atac-seq-method-from-harvard-accelerates-single-cell-research/

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