北大生科院PNAS發布單細胞測序新技術

　　來自北京大學生命科學學院等處的研究人員發表了題為“Microfluidic single-cell whole-transcriptome sequencing”的文章，開發出了一種新型微流控單細胞全轉錄測序新方法，這種方法有效地消除轉錄組高度動態特性所帶來的測量差異，提高單細胞全轉錄組分析的準確性和可靠性。

　　這一研究成果公布在《美國國家科學院院刊》（PNAS）雜志上，文章的通訊作者分別是北京大學生物動態光學成像中心的趙亮博士，黃巖誼教授和湯富酬 教授。生物動態光學成像中心（Biodynamic Optical Imaging Center, BIOPIC）是北京大學于2010年成立的一個跨學科合作實體研究中心。中心的目標是發展和利用最先進的生物成像與基因測序手段，在分子和細胞水平上進 行生命科學與醫學基礎研究。該中心聚集了多位知名的科學家，如謝曉亮，莊小威等。

　　近年來不斷發展的實驗技術，提供了更加定量與客觀的證據，表明在許多關鍵生命過程例如胚胎發育、細胞分化、疾病發生與發展等過程中，特定的單個細胞 行為，以及其間的個體化差異與異質性，導致了極其重要甚至是決定性的結果。而之前基于大量細胞平均測量所獲得的結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所追求的極限狀態，是對傳統技術極大的挑 戰。

　　2014年年初，Nature Methods將單細胞測序選為年度最重要的方法學進展，這一技術利用新一代的測序技術來分析單個細胞內的基因信息，成為解讀單細胞的最佳工具，無論是對于胚胎發育，還是癌癥研究都具有重要的意義。

　　單細胞全轉錄組測序是單細胞高通量測序需求量最大的應用，它所測定的是單個細胞內所有基因的表達量，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。2013年，湯富酬研究組、李瑞強研究組與北醫三院的喬杰教授合作，利用單 細胞轉錄組測序技術，分析了不同時期的人類早期胚胎細胞的基因表達情況，這一研究發現了兩千多個全新的可能參與早期胚胎基因表達調控的長非編碼RNA。

　　然而目前采用的新一代測序技術中，絕大多數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、技術噪音高、操作失誤率高、重復性差。為了解決這一問題，在最新這項研究中，研究人員合作開發了新的文庫制備方法，將 最關鍵的單細胞轉錄組文庫構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。

　　這一技術的開發，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生，還減少了操作誤差，實現了更高的可靠性和更好的平行性。

　　研究人員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錄組高度動態特性所帶來的測量差異，實現對單細胞異質性的分析和判斷。通過多個細胞 較低深度的轉錄組測序，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性信息，而更好地展現生物體系的復雜性、隨機性和動態過程。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 單個細胞的異質性。與已有的技術相比，這一工作展示了目前最好的單細胞轉錄組測序檢測靈敏度和平行性。

　　此前這一研究組還開發了一種全新的活細胞成像技術，利用炔基標記手段并巧妙地應用了受激拉曼顯微成像技術，成功實現了對活細胞的脂類、核酸、蛋白質和糖類等關鍵生物分子的特異性、低干擾的三維成像，突破了成像標記基團的尺寸極限。