北大研制單細胞全轉(zhuǎn)錄組測序新技術(shù)

       近期，北大黃巖誼、湯富酬課題組在《美國科學院院刊》(PNAS)上發(fā)表題為“Microfluidic single-cell whole-transc[x]riptome sequencing”的論文。該研究利用微流控芯片技術(shù)實現(xiàn)了高質(zhì)量單細胞的全轉(zhuǎn)錄組測序樣品準備，全面提高了單細胞全轉(zhuǎn)錄組分析的準確性和可靠性。 
       細胞是生命活動的基本功能單位，而在生物體內(nèi)沒有任何兩個細胞是完全相同的。傳統(tǒng)的生命科學與醫(yī)學研究，絕大多數(shù)情況下都是針對混合的大量細胞進行的，無法觀察到單個細胞之間細微的差別。近年來不斷發(fā)展的實驗技術(shù)，提供了更加定量與客觀的證據(jù)，表明在許多關(guān)鍵生命過程例如胚胎發(fā)育、細胞分化、疾病發(fā)生與發(fā)展等過程中，特定的單個細胞行為，以及其間的個體化差異與異質(zhì)性，導致了極其重要甚至是決定性的結(jié)果。而之前基于大量細胞平均測量所獲得的結(jié)果并無法正確反映復雜生物體系的全面真實信息，嚴重掩蓋了獨立個體樣本的行為以及生命現(xiàn)象中大量存在的隨機行為。針對單個細胞的研究，是細胞生命分析技術(shù)所追求的極限狀態(tài)，是對傳統(tǒng)技術(shù)極大的挑戰(zhàn)。 
       單細胞測序利用新一代的測序技術(shù)來分析單個細胞內(nèi)的基因信息，成為解讀單細胞的佳工具。單細胞全轉(zhuǎn)錄組測序是單細胞高通量測序需求量大的應用，它所測定的是單個細胞內(nèi)所有基因的表達量，同時還可以測定除了mRNA分子外，其他長非編碼RNA(lncRNA)以及小RNA的含量，定量獲取單個細胞完整的表達譜。目前采用的新一代測序技術(shù)中，絕大多數(shù)方法都需要特定的前處理過程，制備“測序文庫”。而針對單細胞樣品，已有的方法均存在很多缺陷，導致檢測靈敏度不高、基因表達信息丟失嚴重、技術(shù)噪音高、操作失誤率高、重復性差。 
       為了解決這一矛盾，兩個課題組合作開發(fā)了新的文庫制備方法，將關(guān)鍵的單細胞轉(zhuǎn)錄組文庫構(gòu)建步驟集成在一個微流控芯片上，可以同時進行多個樣品的操作。這一技術(shù)的開發(fā)，大大減少了試劑用量，在反應效率得到提升的同時極大地抑制了污染的發(fā)生，還減少了操作誤差，實現(xiàn)了更高的可靠性和更好的平行性。 
       通過對幾十個細胞的分析表明，這一方法可以有效地消除轉(zhuǎn)錄組高度動態(tài)特性所帶來的測量差異，實現(xiàn)對單細胞異質(zhì)性的分析和判斷。通過多個細胞較低深度的轉(zhuǎn)錄組測序，可以獲取比同等成本下單個細胞高深度測序更重要的細胞異質(zhì)性信息，而更好地展現(xiàn)生物體系的復雜性、隨機性和動態(tài)過程。而通過微流控芯片上的精確細胞操控和主動俘獲過程，還可以擺脫其他類似方法中隨機俘獲的局限性，實現(xiàn)對極其少量細胞的完全俘獲和反應前的表型觀察，以更好地理解和驗證單個細胞的異質(zhì)性。與已有的技術(shù)相比，這一工作展示了目前好的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序檢測靈敏度和平行性。 
       黃巖誼博士同時任北京大學工學院教授，湯富酬博士同時任北京大學生命科學學院研究員。黃巖誼組博士后AaronStreets博士、趙亮博士和研究生張先念為論文的主要作者。這一工作得到了國家科技部973計劃、863計劃、國家自然科學基金委及霍英東教育基金會的資助。