Nature Methods新工具可对特定基因变异进行单细胞研究

利用SDR-seq，科学家们发现，即使是DNA的微小变化也能改变基因在干细胞以及一种名为B细胞淋巴瘤的血癌中的调控方式。SDR-seq为基因组生物学家提供了规模化、精准化和快速化的分析能力，有助于理解并最终治疗多种疾病。

科学家们长期以来一直怀疑遗传与疾病之间存在联系，这可以追溯到希波克拉底，他观察到某些疾病“在家族中遗传”。然而，多年来，科学家们在寻找理解人类基因组中这些遗传联系来源的方法方面不断取得进展。 

欧洲分子生物学实验室 (EMBL) 的科学家及其合作者现已开发出一种超越现有单细胞技术的工具，能够在同一细胞内同时捕获基因组变异和 RNA，相比之前的技术，其精度和可扩展性均有显著提升。该工具能够确定基因组非编码区域的变异，彻底改变了科学家研究与疾病相关的变异最有可能发生的 DNA 区域的方式。这种单细胞工具凭借其高精度和高通量，在揭示遗传变异与疾病之间的关联方面取得了重要进展。

“这是一个长期存在的问题，因为目前用于研究同一细胞中 DNA 和 RNA 的单细胞方法通量有限、灵敏度低，而且非常复杂，”发表在《自然方法》杂志上的一篇关于 SDR-Seq 的新论文的主要作者、欧洲分子生物学实验室 (EMBL) Steinmetz 组博士后研究员 Dominik Lindenhofer 说道。“在单细胞水平上，你可以读取数千个细胞中的变异，但前提是它们已经表达——也就是只能从编码区域读取。而我们的工具无论变异位于何处都能正常工作，从而生成可用于分析复杂样本的单细胞数据。” 

编码区和非编码区之间的重要区别

基因组由DNA组成，包含编码区和非编码区。编码区的基因被比作说明书或菜谱，因为这些基因会表达成RNA，本质上是告诉细胞如何制造蛋白质——生命的基石。 

非编码区包含许多对细胞发育和功能至关重要的调控元件。超过95%的与疾病相关的DNA变异都发生在这些非编码区域，然而目前的单细胞工具尚不足以提供足够的通量和灵敏度来更好地理解这些大区域。迄今为止，科学家无法同时大规模地观察同一细胞中的DNA和RNA，从而确定DNA编码变异的功能及其后果。

“在非编码领域，我们知道存在与先天性心脏病、自闭症和精神分裂症等疾病相关的变异，这些变异尚未得到充分探索，但这些疾病肯定不是唯一类似的疾病，”Lindenhofer说。“我们需要一种工具来进行探索，以了解哪些变异在其内源性基因组背景下具有功能，并了解它们如何促进疾病进展。”

解密追踪单细胞的条形码

在单细胞DNA-RNA测序（SDR-seq）中，科学家们使用油水乳化液滴（每滴包含一个细胞）来分析DNA和RNA。科学家们实际上可以在一个试管中同时研究数千个细胞，并将基因变化与基因活性直接联系起来。但这种技术的开发需要克服一些限制，最终需要来自欧洲分子生物学实验室（EMBL）基因组生物学和结构与计算生物学部门、斯坦福大学医学院以及海德堡大学医院的合作者的支持。 

最初，来自欧洲分子生物学实验室（EMBL）研究小组的 Judith Zaugg 和 Kyung-Min Noh 的合作者开发了一种“修复”细胞以保护脆弱 RNA 的方法。此外，来自 Oliver Stegle 领导的 EMBL 研究小组的计算生物学家构建了一个定制工具，用于解卷积和解码构建这项技术所需的复杂 DNA 条形码系统，并支持进一步的下游数据分析。虽然这个解码器是专门为这个项目构建的，但科学家们预计它可以应用于其他研究。

欧洲分子生物学实验室 (EMBL) 的 Wolfgang Huber 和海德堡大学医院的 Sasha Dietrich 研究小组的研究人员此前已在为其他研究项目筛查 B 细胞淋巴瘤细胞。因此，他们提供了含有大量基因组变异的原发性患者样本，以帮助测试该工具。Lindenhofer 随后利用这些样本观察了变异与疾病之间的联系。他发现，变异较多的癌细胞会激活更多信号，从而促进癌细胞的生长。

“我们利用这些小型反应室读取同一单细胞中的 DNA 和 RNA，”Lindenhofer说。“这让我们能够准确地判断某个变异是存在于基因的一个拷贝还是两个拷贝上，并测量其对同一单细胞中基因表达的影响。通过 B 细胞淋巴瘤细胞，我们能够证明，根据细胞变异的组成，它们具有不同的细胞状态倾向。我们还发现，细胞中变异的增加实际上与更恶性的 B 细胞淋巴瘤状态相关。”

单细胞测序工具带来的诸多机遇

SDR-seq 工具如今为基因组生物学家提供了规模、精度和速度，帮助他们更好地理解基因变异。虽然它最终可能在治疗多种复杂疾病方面发挥作用，但它可能首先有助于开发更好的诊断筛查工具。

“我们拥有一种能够将变异与疾病联系起来的工具，”该论文的资深作者、EMBL小组负责人、斯坦福大学医学院遗传学教授Lars Steinmetz说道。“这种能力为我们探索生物学领域开辟了广阔的空间。如果我们能够辨别变异是如何调控疾病的，并更好地理解疾病的发生发展过程，就意味着我们有更好的机会进行干预和治疗。”