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廉价的单细胞基因表达分析新技术
技术文章 2018-11-20 14:33

  想象一下有人递给你一杯奶昔,要你鉴别出里面所有的东西。或许你能够辨别出有一点点的草莓或是酸奶的味道。但总体上它的味道就像是无法分辨的成分构成的混成品。

  现在再想象一下,这杯奶昔是由来自大脑的2万个碾碎了的细胞所组成。你可以通过测试来确定样本中有什么分子,这就是科学家们现在所做的事情。这当然会提供给你有用的信息,但它无法告诉你这些分子最初来自哪个细胞,它只会提供整个奶昔的平均细胞概况。

  谈到我们身体的组织,平均数几乎总是有误导性。正如你知道没有叫做一种草莓香蕉菠菜橙子酸奶的“平均”的食物一样,科学家们知道组织中也不止一种细胞类型。

  哈佛医学院系统生物学教授和系统生物学系主任Marc Kirschner说:“如果你取得一大块组织,将它磨碎分析RNA,你就不会知道它表明了群体中的每个细胞在做什么,或是群体中没有任何一个细胞在做的事情。”

廉价的单细胞基因表达分析新技术
 

  麻烦的是,一次一个细胞或一种细胞类型这样来确定组织的特征既昂贵、费时又棘手。

  Kirschner和哈佛医学院遗传学助理教授Steven McCarroll在5月21日的《细胞》(Cell)杂志上发表了两篇独立的论文称,他们的实验室开发出了一些高通量技术,能够在样本进入到搅拌器中去之前,快速、轻松、廉价地赋予每个细胞独特的遗传条形码。由此,科学家们可以分析复杂的组织,描绘出每个细胞的概况。

  研究小组希望他们的技术将能够帮助生物学家们更深入地发现和分类机体中的细胞类型,绘制出大脑一类复杂组织中的细胞多样性图谱,更好地了解干细胞分化,以及获得更多有关疾病遗传学的认识。

  基因表达(特定细胞中的基因活性模式)是从大脑认知到受精卵的发育,生物学中每个过程的基础。50年前科学家们就已经知道,就像指纹一样基因表达因细胞而异,它使得皮肤细胞不同于肝细胞,使得一些肝细胞不同于另一些肝细胞。但他们一直无法有效地在单细胞水平上对包含多个细胞类型的样本进行基因表达检测。

  McCarroll实验室的Macosko提出了一种叫做Drop-seq的技术。Kirschner课题组的Klein则设计出了一种称之为inDrops的方法。

  它们如何发挥作用

  两个研究小组各自开发了一些方法利用微珠将大量不同的DNA条形码同时传送到几十万纳米大小的液滴中。两种方法都利用了微流体装置来将细胞和微珠一起装入这些液滴中。这些液滴是在一个小型装配线上生成,沿着一根头发宽的槽道流动。

  微珠条形码附着到每个细胞的一些基因上,因此科学家们可以一批次测序所有的基因,追踪每个基因的来源细胞。Macosko和Klein采用不同的方法生成了他们的微珠。液滴在这个过程中按不同的步骤破裂。其他的一些化学方面也有差异。但结果是一样的。


廉价的单细胞基因表达分析新技术
 

  Klein说:“通过Drop-seq或inDrops运行一个批次的细胞,科学家们就可以看到整个样本中表达了哪些基因——并可以按每个细胞进行排序。”

  然后他们利用计算机软件揭示混合物中的一些模式,包括哪些细胞具有相似的基因表达谱。这提供了一种方法来分类原始组织中的细胞类型——并有可能发现新的细胞类型。

  当前的一些方法可以让研究人员一天以数千美元的成本生成96个单细胞表达谱。相比之下,Drop-seq每天只需6.5美分就可生成1万个单细胞表达谱。

  不同的目标

  McCarroll、Macosko和同事们当前正利用Drop-seq兴奋地探索大脑。Kirschner、Klein和同事们则对包括干细胞发育在内的其他领域非常感兴趣。