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改进技术为生物医学基因组学研究提供了重要推动力

导读哈佛大学的科学家已经开发出一种大大加速单细胞测序的方法,这一进步有望为生物医学基因组学研究带来重大进展。这种新方法结合了微流体和

哈佛大学的科学家已经开发出一种大大加速单细胞测序的方法,这一进步有望为生物医学基因组学研究带来重大进展。

这种新方法结合了微流体和新型软件来加速单细胞ATAC-seq,它可以识别基因组的部分区域,这些基因组是开放的,可供调节蛋白质使用。详见6月24日Nature Biotechnology的一篇文章,该创新是哈佛大学干细胞与再生生物学系(HSCRB)与Bio-Rad实验室研究人员合作的成果。

“我们已经对它进行了扩展,因此我们可以直接在人体组织中分析许多细胞。方法很简单,所以你可以在一天内完成实验,从头到尾。这将使研究人员能够在更短的时间内取得更多成果,“该研究的资深作者,HSCRB助理教授Jason Buenrostro说。

多年来,科学家们一直试图弄清楚基因在不同细胞中的发育过程中是如何开启和关闭的,因此细胞可以发挥特定的功能。毕竟,所有的生命都是作为一个单细胞开始的,但很快就变成了数万亿。第一个细胞中的基因组被复制到其他细胞中,那么我们如何最终得到这么多不同的细胞类型呢?

单细胞测序已经改变了这一研究领域,使科学家们能够研究单个细胞中的基因,而不是含有许多不同细胞类型的大块组织。研究更大的样本可以使研究人员指向一个有前景的方向,但没有提供精确的见解。观察单个细胞可以更容易地区分细胞类型,并找到能够驱动身体健康功能或疾病过程的单个基因。

在这项研究中,研究人员专注于一种称为ATAC-seq的测序(使用测序对转座酶 - 可及的染色质进行测定)。每个人体细胞含有两米长的DNA,紧密地包裹在微观核中。ATAC-seq可识别DNA的哪些部分被解开并可被蛋白质接近。

“这有点像打开一个多维的行李箱去拿衣服,”该研究的联合主要作者,在布鲁斯特罗的哈佛大学实验室的博士后研究员Fabiana Duarte说。“如果可以获得基因组的一部分,酶可以切割并标记它。然后我们找到所有标记DNA的序列。“

基因受许多不同的蛋白质控制。例如,转录因子与一段DNA结合并帮助打开和关闭基因。有无数的转录因子,每一个都识别并结合非常特异的DNA序列。每个序列称为motif,因为它非常具体,所以可以在ATAC-seq数据中标记。

ATAC-seq最初由Buenrostro及其同事于2013年开发,目前在基因组学中无处不在 - 例如,人类细胞图谱项目的主要工作,以了解和绘制基因组功能。作为这项工作影响的反映,麻省理工学院的技术评论本周将布鲁内罗斯特列为其2019年“35岁以下的创新者”之一。

到目前为止,ATAC-seq一直是一个耗时且低效的过程,只有一小部分细胞产生可靠的结果。在先前的方法使得每次反应可以分析100个细胞的情况下,新方法描述了50,000个。

开发新方法的最大挑战之一涉及分离待研究的细胞。新方法使用微流体和液滴解决了这个问题。

“我们与Bio-Rad团队合作开发了这种方法,”Duarte说。“该设备的一个通道可以提供一个细胞,另一个通道可以添加一个珠子 - 每个珠子都有一个条形码标签。在他们相遇的地方,有油 - 所以你会得到水滴。每个液滴都有一个细胞和一个珠子。您可以在设备中添加大量细胞,以获取单独标记细胞的数据。“

但任何计算生物学家都会告诉你,魔鬼就在细节之中。

“理想情况下,每个液滴中都有一个珠子。但在实践中,为了确保每个细胞都被标记,液滴最终可能会有一个以上的珠子,“联合主要作者,布鲁斯特罗的实验室研究生院艺术与科学研究生Caleb Lareau说道。“我们的新软件可识别这些情况并将它们合并,因此您可以识别最初可能看起来很多的单个细胞。”

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