加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家們進(jìn)行的新研究可以加快10到100倍的速度 - 從基因研究到如何從干細(xì)胞構(gòu)建新組織到通過(guò)以下方式檢測(cè)癌癥或自身免疫疾病的臨床努力。在一小滴血液中分析單個(gè)細(xì)胞。該研究于2016年4月27日在線發(fā)表在Cell Systems雜志上，嚴(yán)格證明了如何在不使用昂貴且耗時(shí)的深度測(cè)序技術(shù)的情況下，提取有關(guān)單個(gè)細(xì)胞中基因表達(dá)模式的高質(zhì)量信息。該論文的高級(jí)作者是加州大學(xué)舊金山分校生物化學(xué)和生物物理學(xué)副教授Hana El-Samad博士，以及加州大學(xué)舊金山分校系統(tǒng)與合成生物學(xué)中心的教授Matt Thomson博士。“我們相信其影響是巨大的，因?yàn)闇y(cè)序深度和吞吐量或成本之間的基本權(quán)衡，”El-Samad說(shuō)。“例如，突然間，人們可以想到在單細(xì)胞水平上分析整個(gè)腫瘤。”

研究匯集了幾個(gè)學(xué)科

該研究源于共同作者之間的合作，Graham Heimberg是Thomson實(shí)驗(yàn)室博士生，擁有生物信息學(xué)背景，Rajat Bhatnagar博士是El-Samad實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，具有應(yīng)用數(shù)學(xué)和電氣學(xué)背景。工程。他們的綜合專業(yè)知識(shí)使他們能夠應(yīng)用工程見(jiàn)解，了解如何從噪聲信號(hào)中提取關(guān)鍵信息，以及如何更有效地分析大規(guī)模基因活動(dòng)數(shù)據(jù)集的緊迫生物學(xué)問(wèn)題。

Heimberg和Bhatnagar有一個(gè)基本的見(jiàn)解：因?yàn)榧?xì)胞中的每個(gè)基因通常是一個(gè)或多個(gè)更大的基因程序的一部分 - 數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)相關(guān)基因的組合經(jīng)常被一起激活 - 基因活動(dòng)的完整讀數(shù)可以通過(guò)深度實(shí)現(xiàn)排序充滿了冗余信息。他們推斷，對(duì)于基因測(cè)序的許多現(xiàn)代應(yīng)用而言，他們更關(guān)心基因活動(dòng)的模式而不是個(gè)體基因，可以從分辨率低得多的數(shù)據(jù)中提取相同的結(jié)果。

把它想象成一個(gè)城市的模糊照片。您可以選擇個(gè)別建筑物并決定您是在尋找舊金山，紐約還是巴黎，但如果您想要計(jì)算建筑物中的窗戶或街道上的汽車數(shù)量，那么您將失去運(yùn)氣。

“我們根本不會(huì)說(shuō)高深度測(cè)序是無(wú)用的，”湯姆森說(shuō)。“遠(yuǎn)非如此。深度測(cè)序是獲取有關(guān)個(gè)體基因和基因突變的特定分子水平信息的神奇工具。我們只是指出，通過(guò)正確的分析，淺層測(cè)序可以更快，更便宜地提取細(xì)胞 - 水平基因表達(dá)信息。“為了證明他們的觀點(diǎn)，研究人員分析了數(shù)百種來(lái)自酵母，小鼠和人類的公開(kāi)可用的基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)。他們表明，對(duì)于常見(jiàn)的應(yīng)用，如檢測(cè)細(xì)胞來(lái)自何種組織或通過(guò)其基因活性的特征模式挑選出不同類型的神經(jīng)元，正確的數(shù)學(xué)分析可以從10到10萬(wàn)個(gè)測(cè)序讀數(shù)中提取必要的信息，而不是數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的讀數(shù)構(gòu)成深度測(cè)序。

研究人員進(jìn)一步推出了一個(gè)理論框架，該框架能夠準(zhǔn)確地證明測(cè)序需要多深才能獲得特定細(xì)胞或組織基因活性的特定細(xì)節(jié)水平。他們說(shuō)，基本結(jié)論是，數(shù)據(jù)集中給定基因程序的“優(yōu)勢(shì)” - 即基因組解釋的數(shù)據(jù)集傳播的數(shù)量 - 決定了提取它所需的序列深度。換句話說(shuō)，大功能很容易挑選，但細(xì)節(jié)需要更高的分辨率。

低分辨率測(cè)序可以加速癌癥檢測(cè)

新論文的結(jié)果是，對(duì)于基因表達(dá)的重要特征可能是最重要的眾多基因組應(yīng)用，可以使測(cè)序管道的流速快幾十到幾百倍。這可能包括在個(gè)體細(xì)胞成為癌癥的過(guò)程中篩查血液，確定控制干細(xì)胞生長(zhǎng)的遺傳途徑，或構(gòu)建構(gòu)建人體的基因表達(dá)程序的圖譜。

這是至關(guān)重要的，Thomson和El-Samad說(shuō)，因?yàn)樘貏e是對(duì)于依賴于對(duì)來(lái)自單個(gè)細(xì)胞的 DNA測(cè)序的越來(lái)越重要的技術(shù)(例如上面的癌癥液體活組織檢查實(shí)例)，測(cè)序本身現(xiàn)在是一個(gè)主要的瓶頸。

例如，加州大學(xué)舊金山分校的高級(jí)技術(shù)中心(CAT)目前有一臺(tái)機(jī)器可以在一天的工作中準(zhǔn)備50,000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序，但即使使用CAT最先進(jìn)的測(cè)序機(jī)(一天可以進(jìn)行5次讀取，也可以研究人員需要兩周多的時(shí)間才能對(duì)這些50,000個(gè)細(xì)胞中DNA活性的完整模式進(jìn)行深度排序，每個(gè)細(xì)胞讀數(shù)為百萬(wàn)次。但是，如果研究人員能夠從每個(gè)細(xì)胞的20,000個(gè)讀數(shù)中提取相關(guān)信息，那么他們可以在一天之內(nèi)對(duì)150,000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序。

以這種方式加速管道可能對(duì)許多目前被認(rèn)為過(guò)于昂貴或耗時(shí)的測(cè)序的研究和臨床應(yīng)用具有變革性。

例如，El-Samad說(shuō)，許多細(xì)胞具有非常多余的分子途徑，它們似乎都在細(xì)胞內(nèi)做類似的事情，但對(duì)不同的藥物反應(yīng)不同。

“如果你想了解不同的藥物如何影響這些途徑 - 根據(jù)定義由許多不同的基因組成 - 在完整測(cè)序深度測(cè)試每種基因上的每種藥物將是一個(gè)巨大的浪費(fèi)時(shí)間和金錢(qián)，更不用說(shuō)后勤不可能，“她說(shuō)。“另一方面，如果你可以通過(guò)更低分辨率的測(cè)序快速識(shí)別哪些途徑被激活，這意味著你可以在合理的時(shí)間內(nèi)對(duì)你可以測(cè)試的藥物數(shù)量瘋狂。”

他說(shuō)，湯姆森研究干細(xì)胞如何分化的工作也是如此。涉及的基因數(shù)量很多，但基因通路數(shù)量要少得多，因此低分辨率測(cè)序使實(shí)驗(yàn)室能夠快速識(shí)別哪種途徑以特定方式轉(zhuǎn)化細(xì)胞，之后可以進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來(lái)闡明哪些基因可以被控制為這些途徑的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

研究人員使用他們論文中推導(dǎo)出的方程來(lái)創(chuàng)建一個(gè)讀取深度計(jì)算器，以幫助其他研究人員確定他們特定應(yīng)用所需的基因活動(dòng)信息的解決方案，他們?cè)赥homson實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站上在線發(fā)布。

“我們從所有這些數(shù)據(jù)集得到的計(jì)算結(jié)果表明，這種現(xiàn)象對(duì)于所有不同類型的遺傳數(shù)據(jù)都是全面的，理論部分解釋了為什么會(huì)這樣，”El-Samad說(shuō)。“但只要有一個(gè)公式就可以了，所以你不必一遍又一遍地處理數(shù)據(jù)。”