美国华盛顿大学发展新技术显著提高单细胞测序通量

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2019年9月5日,美国华盛顿大学的Jay Shendure实验室(殷毅为本文第一作者和一块儿通讯作者)在Molecular Cell上发表文章High-throughput single cell sequencing with linear amplification,将LIANTI中的线性扩增和sci的高通量结合到了一块儿,并作出了改进,给新研发的sci-L3技术(“sci”, “linear amplification”, “3-level”)带来了八个 优点。第一,通过体外转录获得与LIANTI相同的线性扩增;第二,通过三轮编码将通量从几千个细胞提高到了百万个细胞;第三,该技术也都我越来越多 灵活地用于单细胞基因组测序之外的其他单细胞测序技术,比如对同八个 细胞内的基因组/转录组一块儿线性扩增测序,其他具有可推广性。后八个 优点是通过对LIANTI和sci两方面技术细节的改进实现的。

本文作者们将基于sci-L3的全基因组测序( sci-L3-WGS)用于研究我越来越多 产生可育后代的种间杂合小鼠的减数分裂过程,这个方式与传统的研究减数分裂的方式相比有八个 优势:

第一、传统方式通常依赖于对后代的测序,我越来越多 用于研究不可育的种间杂交肯能肯能其他是因为分析的不育个体,单细胞测序都我越来越多 直接克服这个点;

第二、对后代的测序肯能并且 低通量的单细胞基因组测序,如MDA,MALBAC,LIANTI等方式,我越来越多 研究几十到几百个个体或单细胞,本文作者们利用sci-L3-WGS的高通量,通过对>500000个生殖细胞进行单细胞测序,定位了大慨87000个染色体交换(meiotic crossover),研究大伙 在基因组上的不随机分布;

第三、染色体交换在减数分裂的过程中起着帮助染色体正常分裂的重要作用,其他并且 的单细胞测序方式通常局限于研究心智早熟的句子的句子期期的句子的精子细胞,那些细胞肯能经过了两轮减数分裂,我越来越多 同时节析染色体交换和减数I期染色体分裂中的错误。

本文作者们通过分析多量细胞,捕捉到了产生精子的过程中少数只完成了减数I期而尚未进行减数II期的细胞,发现其他细胞居于了减数分裂典型的染色体交换,其他却错误地如体细胞有丝分裂一般进行了均等分裂(equational segregation),这个现象并且 在人类产生卵细胞的过程中被描述过,其他只影响个别染色体 ,而全基因组减数I期的均等分裂只见于芽殖酵母,这是该现象第一次在哺乳动物细胞中被发现。该现象与否只居于于不可育的种间杂交小鼠中呢?作者们发现在可育的种内杂交小鼠中也是居于的,并且 更为少见。该现象与否居于于人类精子和卵子的产生过程中还有待进一步研究。

殷毅5009年毕业于北京师范大学,后于2015年在Duke University获得统计学硕士和遗传与基因组学博士学位,师从Tom Petes研究有丝分裂中的遗传重组,2015-2019年先后在Harvard University和University of Washington进行博士后训练,师从谢晓亮和Jay Shendure开发单细胞测序技术,并获得Damon Runyon Cancer Research Foundation的资助。

研究背景

单细胞测序技术有八个 主要挑战。第一,肯能单细胞DNA含量极低,而利用PCR对模版的指数扩增缺乏均一,在整个基因组有其他其他不随机的偏差,致使基因组的其他难扩增的区域在这个过程中容易丢失,另外对单核苷酸位点变异(SNV)和基因组拷贝数变异(CNV)的分析也缺乏准确,比如肯能在PCR的前几条循环中引入了突变,这个突变就会被指数放大。其他,我越来越多 对基因组进行线性扩增都我越来越多 很大程度上帮助克服那些困难。2017年,谢晓亮组的陈崇毅、邢栋和谭隆志利用Tn5转座子在基因组中插入T7启动子,利用体外转录实现了对单细胞基因组的线性扩增(linear amplification via transposon insertion,LIANTI)。LIANTI用产生RNA而也有DNA拷贝来扩增基因组,RNA我越来越多 在后续扩增中提供模版,其他所有的扩增拷贝都来自单细胞基因组三种 的DNA,在均一性和准确性方面也有很大提高。其他,LIANTI的方式我越来越多 分离单个细胞进行操作,最多我越来越多 正确处理几八个细胞。这个对单个细胞分别进行操作的流程和其在通量上的局限性,即是单细胞测序技术的第八个挑战。2015年,Jay Shendure实验室利用对细胞组合编码(single-cell combinatorial indexing, “sci”)实现了通量上的突破。该技术首先把细胞分成96组,用Tn5转座子对每组插入不同的第一轮编码(barcode),把细胞混在一块儿,重新打乱分组,对每2八个细胞进行第二轮编码,整个实验的过程是对所有细胞一块儿操作的,不我越来越多 分别对每个细胞进行操作,并且 在分析的过程中利用两轮编码的独特组合都我越来越多 分出单细胞。这个方式都我越来越多 一次编码和测序几千个单细胞,最早用于ATAC-seq,并且 该实验室将此方式推广到了RNA-seq,Hi-C,毕业于该实验室的Andrew Adey也将此方式推广到了DNA-seq和Methyl-seq。其他sci的技术的第二轮编码是通过PCR实现的,其他整个扩增的过程是指数扩增,其他两轮编码的通量也限于几千个细胞。