2013年值得關注的科學領域

1、2013 年值得關注的科學領域之：單細胞測序：科學、技術與應用（轉）2013 年值得關注的科學領域之：單細胞測序：科學、 技術與應用基因組所 于軍 研究員12月21 日出版的美國科學雜志提出2013 年的 6 個值得關注的科學領域, 包括單細胞測序、“普朗克”探測微波背景輻射、人類連接組 計劃、探索南極冰下世界、癌癥免疫療法和基礎植物研究。 六個領域中的五個都與生命科學有關。其中排在第一位，帶有最新理念的，就是“測定每一個細胞的 序列”。從表面上看，測序好像僅僅是測定 DNA 的序列，也 就是測定每一個細胞所攜帶的遺傳物質一-DNA的序列。但 是其實不然，背后有更深刻的意義。首先，人體的每個細

2、胞（單倍體細胞只有性決定細胞：精子 和卵子）通常帶有兩套染色體（每條染色體由一個DNA分 子和眾多蛋白質分子輔助組成），而且每個個體所擁有的千 兆個細胞都來自同一個受精卵，理論上來講，這些細胞的DNA序列應該百分之百是一樣的。所不同的只是經過每一代 人的DNA復制，基因組（所有染色體）的總體序列會有幾 十個變化，稱為每一代之間的基因組突變率。盡管這個變化 相對每一代人來說是很少的，但是日積月累，加之世界人群 之巨大，總體的變化數(shù)量則是驚人的！在這些變化中，又有 人類個體生老病死等因素的不斷加入，基因和它的組分 -DNA 序列也在世代的變演中或被保留、或被拋棄、甚至 被夸大、抑或僅僅是隨波逐流。

3、當然，這些存在于人群中的 DNA 序列變化也會與每個人引為自豪的優(yōu)勢有關，也會與每 個人不容樂觀的缺陷有關，更會與我們的體能、長相、智慧、 壽命、乃至疾病有關。這就是我們要測定更多人基因組序列 的目的之一。我們要將基因組的這些變化與我們的“表型”（可 見和可測定的標征）關聯(lián)起來，找到 DNA 序列與表型的因 果關系，即所謂的全基因組關聯(lián)研究。其次，既然基因組序列的變化與細胞的種類無關，那我們還 在乎單個細胞嗎？有一個最直接的原因，那就是各種惡性腫 瘤細胞往往有自己特殊的變異。這些變異的發(fā)生有兩個基本 的途徑：其一是固有的但是并不馬上致瘤，但潛力可畏；其 二是腫瘤細胞新產生的，既可以定性，也可以

4、定量，更可以 用來指導診斷、預后和治療。還有些腫瘤相關的變異可以產 生新（對，在正常狀態(tài)下沒有）的蛋白質，這些蛋白質則可 以作為藥靶來對待。另外，腫瘤細胞的特征之一是無限增殖， 這里產生的變異之多，相關性之復雜都非常吸引人們去深入 研究?？梢?，單個細胞水平的研究會為腫瘤研究提供不少的 腫瘤發(fā)生和不斷變演的線索。第三，如果我們能測定每一個正常細胞的 DNA 序列，我們 還會得到哪些有用的信息呢？答案是：很多。DNA測序歸根 結底是一門技術，一門非常有用的技術。盡管它的原理發(fā)明 是上個世紀 70 年代的事情，但是“人類基因組計劃”的啟動賦 予它新的動力和生命：我們要在這門技術的發(fā)展上投入很多 很多

5、的錢，就數(shù)量而言，可以說是空前絕后的： 30 億美元。 結果是，這門技術不僅幫我們測定了一個人的基因組（也就 是所謂“人類基因組計劃”）、數(shù)百個人的基因組（也就是所謂 的“基因組單倍體型圖計劃”；該計劃粗略地測了幾百個人的 基因組）、上千個人的基因組（即“1000 人基因組計劃），乃 至今天所談的：每個人的基因組和每個細胞的基因組。這個 技術的發(fā)展之快，應用之深廣，絕對是空前的。它對于科學 發(fā)展的意義絕對超過航空母艦對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的意義。正是這樣一門技術支持了我們鑒別單細胞和單細胞功能差 異的欲望。眾所周知，細胞是生命有機體的基本單元。人體 就有近 200 種不同的細胞存在，有的在分化，有的在生長

6、， 有的在復制，有的在運動，有的在支撐機體，有的在傳導信 號等等。問題是：既然每個人的每個細胞都有相同的基因組 序列（或 DNA 分子），這些細胞在 DNA 序列上的不同體現(xiàn) 在哪里呢？回答之一是：在RNA分子里面。RNA和DNA 一樣是細胞的重要“建筑材料”之一。它們的功能也很復雜， 有的相當于建筑材料，與蛋白質一起構成不同的功能結構； 有的則編碼蛋白質，“指導”蛋白質的合成；有的則是操作分 子，參與很多細胞功能的調控，RNA可以說是“無孔不入”。 也正是這些無孔不入的分子，才是細胞間非遺傳性差異的“始 作俑者”。換句話說，細胞間的不同很大一部分是由它們的RNA內涵所決定。這樣的話，用測定D

7、NA的機器（通過將 RNA“反轉錄”為DNA ）來測定每細胞里的RNA組成正是單 細胞測序的關鍵所在。每一個細胞里都有數(shù)千萬RNA分子。 僅用來編碼蛋白質的“信使RNA”（僅占總量1% ）分子就有 逾十萬種，近百萬之多?？上攵瑥娪辛Φ臏y序技術此時 此刻就更有了用武之地！DNA測序技術在單細胞水平的應用還不僅僅是如此。這里可 以舉幾個實際的例子。一個是通過測定DNA序列來來找到 重要調控蛋白質與 DNA 作用的部位（其實也是固定的序列），這個技術稱為 ChlP-Seq（免疫沉淀-測序偶聯(lián)）技術，可以用來建立基因調控 網絡（當然也包括致病基因在內了）。還有一個是通過測定 被蛋白質保護的部分DN

8、A來確定染色體在細胞核內的三維 構像和空間分布。目前的研究結果表明不僅僅是染色體的穩(wěn) 定性，而且它的構像和時空分布會與細胞的分化、凋亡、癌 變等有關。另外，我們還可以細究蛋白質復合體（如核小體） 的排列（包括排列的致密度和位置）來估計基因簇的被調控 狀態(tài)：協(xié)同、相左還是獨立？此類例子可以更多，甚至有更 長的解釋?？傊@些技術都可以在單細胞水平來觀察變化， 疾病的一部分就體現(xiàn)在細胞水平基因調控的不正常。比如， 胰島細胞（分泌胰島素）調控得不正常就導致糖尿病。又如， 衰老個體的細胞和年輕個體的細胞在遺傳總體上和基因調 控上有何不同？我們目前還沒有直接的手段來用實驗和數(shù) 據來回答這個問題，或許在單

9、個細胞水平的研究上這些問題 都會迎刃而解。就技術而言，單細胞測序的關鍵和特色至少有在四個方面體 現(xiàn)出來。第一，我們必須要建立各種單細胞的觀察、觀測和 分離技術。流式細胞儀是目前高通量分離細胞的工具之一， 但是要做到分離和研究單個細胞，我們必須要有顯微處理的 能力和相關儀器。微納加工技術和微流控技術的掌握和應用 應該是不可少的。第二，我們要開發(fā)基于單細胞的 DNA 和 RNA分離和分析技術。盡管DNA測序可以用擴增后的DNA 來測序，但是無擴增技術會更好地體現(xiàn)細胞的原始狀態(tài)。第 三，我們要建立單細胞基因表達和調控的數(shù)學計算模型。筆 者在十幾年前曾與提岀單細胞測序概念的胡德（Leroy Hood

10、）教授切磋對“竭澤而漁”和“擲網而漁”之間的不同和邏 輯關系的理解，筆者認為也許只有在“自然生態(tài)”下我們才能 真正理解不同“魚兒”（基因）間的生存（功能）和依賴（相 互作用）。因為細胞間的不同是絕對的，因為不僅不同的細 胞不可能有相同的基因在表達譜（基因表達的全部），而且 相同細胞的基因表達譜也會不同（視分辨率的不同而定）。 因為細胞內基因表達量的均值時小于一的。也就是說，細胞 里有很多基因的表達量非常低，低到幾十、乃至幾百個細胞 才有這個基因的一個轉錄本（拷貝）?？梢姡瑔渭毎麥y序不 是沒有挑戰(zhàn)的，不僅僅是技術，而且包括理論。第四，達到 在單細胞水平研究生命現(xiàn)象和基因的關系，我們極有必要將 D

11、NA 測序技術推向單分子水平。這樣我們就舍去了 DNA 的 擴增。目前的單分子 DNA 測序儀還不成熟，新的競爭還剛 剛開始。單分子測序得優(yōu)勢在于我們不僅可以不用擴增地看 到基因變異和表達的全貌，而且可以偵查到剛剛（實時）發(fā) 生的微妙變化。更可以看到每個 DNA 分子和 RNA 分子上的 化學修飾。因為我們知道DNA至少有四種化學修飾的狀態(tài)， RNA 則含有少數(shù)（一百余種）化學修飾的核苷酸。由于不能容易 地測定這些化學修飾核苷酸的存在和動態(tài)變化，我們無從知 道它們在DNA和RNA分子上的準確功能。好在目前的測序 技術允許我們粗略地知道哪些位點（序列的位置）可以有修 飾的核苷酸存在，而且它們的動態(tài)變化被稱為是表觀遺傳學 研究的內容，有些甚至與癌變有關。單細胞 DNA 測序的本質是基因組學技術在細胞生物學上的 應用，這不僅充分體現(xiàn)了學科的交叉和互動，也指出了不可 忽視基因組學技術的高速發(fā)展。就 DNA 測序技術而言，它 的數(shù)據產生速度已經超過了計算機的計算能力發(fā)展速度（摩 爾定律）。很可惜的是，我國目前還沒有真正重視這一技術 的發(fā)展。目前的研制焦點在第三代測序技術，其特點為：單 分子、讀長長、低成本。目前廣泛使用的是第二代設備，足 以幫助我們測定各類基因組的序列，并且啟動前期單細胞水 平的研究。在科學上絕無一勞永逸的事件，只有一磚一瓦，只有起重與 降落的周而復始，不知不覺中“科