哈佛大学的科学家与Bio-Rad实验室的研究人员合作，开发了一种快速单细胞测序的新平台。该方法结合了微流体和新型软件来扩大单细胞ATAC-seq，该细胞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。该项创新发表于Nature Biotechnology，标志着单细胞基因组学研究的重大加速。
什么是单细胞测序?
我们都是从单个细胞开始，但很快变成了数万亿。第一个细胞中的基因组被复制到所有其他细胞中 - 那么我们如何最终得到这么多不同的细胞类型呢?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。
单细胞测序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，而不是大块组织。在批量研究细胞时，该集合可能看起来是统一的，但实际上包含许多不同的细胞类型。因此，结果代表平均值。他们指出研究人员的方向很有前景，但没有提供准确的见解。
通过允许研究人员一次只检查一个细胞，单细胞测序正在重新定义解剖结构。它筛选出表面上看起来相似的细胞，突出了新的细胞类型，极大地提高了寻找能够驱动身体健康功能或疾病过程的单个基因的能力。
ATAC-SEQ
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和哈佛大学杰森布鲁斯特罗的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，转录因子与一片DNA结合并带来读取它的机器。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。该序列称为motif，因为它非常具体，所以可以在ATAC-seq数据中标记。
自Buenrostro及其同事于2013年首次开发ATAC-seq以来，该领域发展迅速。该技术无处不在地用于基因组学界，例如人类细胞图谱项目，用于理解和绘制基因组功能。但是复杂的过程耗时且效率低，只有一小部分细胞产生可靠的结果。
扩大
本研究中开发的新方法使ATAC-seq更有效。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。
“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，因此您可以在一天内完成实验，从头到尾。这将使研究人员能够实现更多目标。哈佛大学干细胞和再生生物学系的助理教授布鲁斯罗斯特说，这个时间要短得多。
单细胞测序中最大的挑战之一是分离待研究的细胞。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。“设备的一个通道提供一个细胞，另一个通道添加一个珠子 - 每个珠子都有一个条形码标签。在它们相遇的地方，有油 - 所以你会得到液滴。每个液滴都有一个细胞和一个珠子。你可以添加很多细胞进入设备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。但实际上，为了确保每个细胞都被贴上标签，液滴最终可能会有一个以上的珠子，”布鲁斯特罗的实验室联合主编兼研究生Caleb Lareau说。 。“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。”
“由于实验和计算方面的创新，我们现在可以获得放入机器的95%电池的配置文件。大约20%到30% - 就像白天和黑夜一样，”Lareau说。
加快研究
“这种液滴方法将作为现成技术提供给所有领域的生物医学研究人员，我为我们帮助它进入这一阶段而感到自豪，”同时也是哈佛大学教员的布鲁斯特罗特说。干细胞研究所。“在这项研究中，我们还在方法中开发了一种方法：条形码添加了另一层标记，使我们可以增加十倍或更多的细胞数量。它会改变您可以提出的问题，以及您能找到多快的速度答案 - 我认为我们现在看到研究的进展要快得多。“