單細胞基因組學：通往個體化醫療之門

　　隨著第二代測序技術的普及，單細胞測序迎來了迅猛發展。

　　近日，南方科技大學生物學系副教授賀建奎在美國冷泉港參加了單細胞分析會議后，在科學網博客里寫道：“這是一個非常令人激動的前沿學術會議，我深深地體會到了單細胞基因組學時代的來臨。”

　　他對《中國科學報》表示：“單細胞基因測序技術的突破，只是開了一個很小的‘口’，‘口’的另外一邊，就是一個非常漂亮的世界。”他說，單細胞基因組學研究的強勁勢頭，昭示著人類正逐步邁進個體化醫療時代。

　　更重要的是，測序技術的發展使基因測序民用成為大勢所趨，個人DNA測序咨詢服務即是一例。美國路易斯維爾大學研究員徐鑫認為，基于個人基因組DNA信息的健康評估有潛在市場，有可能發展成為一個新興的龐大產業。

　　高通量測序的推力

　　“單細胞測序，就好像從太平洋里釣一條小魚。這在以前是不可想象的，而現在我們技術上已經實現了單細胞測序，可以做很多以前不敢想象的事情。”賀建奎表示。

　　耶魯大學一篇發表在《遺傳》雜志上的文章指出，單細胞基因組學研究，致力于從最小量的樣品（終極目標是單細胞）獲得全基因組的最大信息，即在全基因組范圍內鑒定在不同水平上影響生命活動的基因群的功能和相互作用。在只有或只能用單細胞或極少量細胞的情況下，單細胞測序技術將一展身手。

　　賀建奎介紹說：“高通量測序技術的發展，使單個基因組測序價格降到5000美元。”

　　單細胞測序在技術上實現突破，應歸功于高通量測序技術。“新一代基因分析平臺Ion Torrent巴掌大小的芯片上就有上千萬個測序微孔”，據深圳華因康基因科技有限公司研發部負責人金虹介紹，類似于半導體集成芯片，高通量測序芯片的密度非常高，這樣就能實現一次對幾十萬到幾百萬條DNA分子進行序列測定，效率非常高。

　　微流控技術幫了單細胞測序一個大忙——減少甚至避免基因污染。賀建奎說，微流控平臺提供了一個適于單細胞基因擴增、與反應物充分接觸、基因測序的“微試管”，可以降低單細胞測序的噪聲。

　　他打了個很有意思的比方：“就好像我們把小魚從太平洋趕到小池塘，只需要很少的魚鉤（反應物）就能把它抓到，而且大大減少了‘誤捕’的機會。”

　　徐鑫認為，基因測序日益便捷，成本不斷下降，研究人員都在努力向1000美元即可實現測序單個人基因組的目標邁進，因此基因組DNA測序有可能逐步發展為民用。

　　目前我國在高通量測序技術上不甘落后。金虹表示，開展研發具有自主知識產權的高通量測序技術，對于我國在這一新興領域的發展具有重要意義，盡管這個過程可能漫長而艱辛。

　　基因病變的曙光

　　測序技術目前已在癌癥的診療中嶄露頭角。金虹指出，目前基因測序技術已經在癌癥的診療中發揮作用，尤其是在靶向藥物作用靶點的基因表達水平的檢測，能給癌癥患者實質性的幫助。

　　“然而，基因測序作為一種工具，目前在民用方面的受惠面還很窄，遠遠沒有發揮它的作用，現階段主要的用途還是在科研方面。”金虹話鋒一轉，說：“不過我們有理由相信，基因測序將會越來越多地向臨床應用方向發展。”

　　據了解，癌癥基因組的最新研究進展表明，癌癥本身是一種多基因相互作用和影響的疾病，這正是癌癥難以治愈的原因。而了解癌細胞如何在腫瘤內變化以及每個細胞內“定居”著多少版本的基因，這將有助于癌癥診斷。

　　“腫瘤的演化過程是復雜的。”賀建奎認為，單細胞基因組學的研究，使人們能夠認識癌細胞進化過程的更多細節，“比如我們有望通過研究從血液中分離出來的單個游離癌細胞，實現癌癥的超早期診斷和治療的實時監測。”他說，借此了解癌癥的形成、擴散，可以為癌癥的治療提供更多的借鑒。

　　例如，近日深圳華大基因的研究人員揭示了癌癥并非由常見的突變基因導致，在病人群體中所鑒定的頻發突變可能與腫瘤個體無關。因此，在癌癥分析和診斷過程中進行個性化治療十分重要。

　　不僅對癌癥，許多基因病變也可為鑒。賀建奎說，單細胞基因組學的一個功能就是揭示基因病變的根本原因，解開基因治療的密碼，對不同患者對癥下藥。

　　2012年，美國科學院院士謝曉亮課題組與北京大學生物動態光學成像中心研究員李瑞強課題組等合作，首次實現了高覆蓋度的單個精子的全基因組測序。謝曉亮表示，這項工作構建了迄今為止重組定位精度最高的個人遺傳圖譜，這一技術方法在男性不育癥研究和腫瘤早期診斷及個體化治療等生物醫學領域有著廣泛的應用前景。

　　重新審視生命

　　“盡管單細胞基因組學前景廣闊，但并不意味著我們要改造生命。”賀建奎說，“幫助人們更深刻地觀察、重新審視生命的奧秘，是單細胞基因組學研究的要義。”

　　一直以來，人體干細胞都被認為是單向地從不成熟細胞發展為專門的成熟細胞，生長過程不可逆轉。

　　而2012年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者，日本科學家山中伸彌和英國發育生物學家約翰·戈登關于細胞核重編程的研究，徹底改變了人們對細胞和器官生長的理解：他們發現，成熟的、專門的細胞可以重新編程，成為未成熟的細胞，并進而發育成人體的所有組織。

　　賀建奎認為，通過單細胞測序技術對每個細胞的測序，對比細胞間的差異，就有可能有新的發現，諸如“為什么有的干細胞發育成了心臟，有的發育成了手足？”此類命題，單細胞基因組學可能會給出不同的答案。

　　“我們通過對人體不同部位的單細胞的測序和基因比對，就有可能解開發育之謎。”賀建奎說，單細胞基因測序將取代基因組測序的平均法則，“對于每一種疾病，也可以從單個細胞的水平重新認識，從而揭示病變的根本原因。”

　　《自然》雜志網站這樣評價單細胞基因組學：測序技術的飛速發展和成本大大降低，使得基因組測序成為常規技術。然而，大多數的人類基因組、癌癥等研究仍然通過多個細胞抽提DNA進行測序，其中所忽略的細胞間的差異對于控制基因表達、細胞行為和藥物反應的問題卻有可能是至關重要的。單細胞測序有望成為個體化醫療的重點領域。