北大謝曉亮“單細胞測序”技術榮登《Nature Methods》年度方法

2014 年 1 月《自然-方法》（Nature Methods）上發表年度特別報道，將“單細胞測序”的應用列為 2013 年度zui重要的方法學進展。

近幾年來，基于單細胞測序技術的科學研究取得了突飛猛進的發展，其成果有望為一些重要的醫學問題提供新的解決方案。文章總結了 2013 年單細胞測序技術對于人類早期發育、癌癥以及神經科學研究等幾個重點領域的應用成果。文章特別指出，來自中國北京大學的一些研究團隊在這方面完成了許多的工作，做出了突出的貢獻。

單細胞基因組擴增新技術（MALBAC）zui早由哈佛大學化學及化學生物學系教授、北京大學生物動態光學成像中心主任 謝曉亮（Xiaoliang Sunney Xie）發明，相關論文 2012 年發表于《科學》 （Science）雜志。該方法通過形成閉合環來抑制 DNA 片段被重復地復制，以保持 DNA 擴增的均勻性，解決了傳統方法對單細胞基因組擴增的強烈偏好性的問題。這項突破在單個細胞水平實現了全基因組 93% 的高覆蓋率，同時也能準確檢測單個腫瘤細胞中的染色體拷貝數異常。

2013 年是單細胞基因組學突飛猛進的一年。由謝曉亮教授 2010 年創建的北京大學生物動態光學成像中心（BIOPIC）在這一領域做出了重要貢獻。 2013 年謝曉亮教授哈佛大學課題組與北京大學 BIOPIC 李瑞強研究員小組合作，將 MALBAC 技術應用于人類單個精子基因組的測序研究中。他們對一個亞洲男性的 99 個精子進行了單細胞全基因組 DNA 擴增，并且利用高通量測序技術對每個精子分別進行了一倍深度的測序。這項工作實現了高覆蓋度的單個精子的全基因組測序，構建了高精度的男性個人遺傳圖譜，相關論文發表在《科學》雜志上。（詳見 Science：單細胞全基因組測序研究精子重組規律和遺傳缺陷）

美國科學院院士、斯坦福大學教授 Stephen Quake 評價說：“從 PCR 技術被發明的那天起，人們就在嘗試將其應用于分析單個細胞的基因組和轉錄組，但是直到今天單細胞測序才開始迅速發展。”

單細胞檢測技術在癌癥研究中也開始發揮重要的作用。 2013 年 12 月， BIOPIC 白凡研究員和謝曉亮教授團隊與北京大學腫瘤醫院的王潔教授團隊合作共同在《美國科學院院刊》（PNAS）上發表文章，對于癌癥病人單個外周血循環腫瘤細胞 （CTC）的全基因組、外顯子組進行了高通量測序，發現在某一類肺癌患者的所有循環腫瘤細胞中存在著一種特定的基因拷貝數變異（CNV）模式，而不同癌種 CTC 細胞的基因組拷貝數變異模式不同，為癌癥的早期診斷提供了全新的契機。這也是上實現對外周血循環腫瘤細胞基因組的高通量測序，標志著利用循環腫瘤 細胞基因組測序信息進行腫瘤無創診斷時代的到來。（詳見 PNAS：單細胞測序技術應用于癌癥無創診斷）

由于人類早期胚胎中的細胞數目非常而且很難獲得，所以單細胞測序技術無疑對早期胚胎發育研究有著*的重要意義。 2013 年 12 月，謝曉亮教授 BIOPIC 小組和湯富酬研究員小組以及北醫三院的喬杰教授小組共同在《細胞》（Cell）上發表文章，對人類單個卵細胞進行了高精度全基因組測序研究。該研究詳 細描繪了人類單個卵子的基因組，建立了人類女性的個人遺傳圖譜。這一工作可以有效地幫助接受輔助生殖的女性同時檢測并排除染色體數目異常的胚胎以及攜帶單 基因突變的胚胎，從而在大幅度提高輔助生殖成功率的同時、降低嚴重先天性遺傳缺陷嬰兒的出生率，提高人口素質。目前，該研究團隊正在嘗試將這項技術應用于 胚胎植入前遺傳學診斷的臨床試驗中，獲益于這一技術的*個嬰兒將在 2014 年出生，為這一技術途徑的廣泛應用帶來了希望。（詳見 Cell：北大學者發布突破性單細胞基因組檢測技術）

2013 年，湯富酬研究組、李瑞強研究組與北醫三院的喬杰教授合作，利用單細胞轉錄組測序技術，分析了不同時期的人類早期胚胎細胞的基因表達情況，這一研究發現了 兩千多個全新的可能參與早期胚胎基因表達調控的長非編碼RNA。該項工作發表在《自然-結構與分子生物學》雜志上。基因的表達模式與 DNA 的表觀修飾有著密切的關系，因此，單細胞的 DNA 甲基化組分析可以用于研究癌癥細胞的特異性機理，但是此前的標準方法只能做到同時分析 50-100 個細胞。而同樣也在 2013 年，湯富酬課題組成功實現了單個細胞 DNA 甲基化組的測序分析。（詳見 北大湯富酬等人揭示人類胚胎發育機制）

表觀遺傳學專家 Wolf Reik 對單細胞測序分析的意義做出了充分肯定，他表示：“我之前還不是單細胞團隊中的一員，但是我很高興看到各個領域被單細胞技術推動的如此之快，有了新的技術，我們將會解決更加激動人心的生物學問題”。

文章指出，單細胞測序技術仍然在快速發展過程中，相信不久的將來將出現新一代更好的技術。科學家們期待在新技術的推動下，癌癥、生殖發育、神經科學、免疫等領域能夠有所突破。

基于一批學者的共同努力，北京大學已經走在了世界單細胞高通量測序領域的前沿，為生殖, 癌癥、醫療檢測研發等諸多領域的研究做出了突出貢獻，也受到了國內外高水平科研期刊的贊譽。目前，北大團隊仍然在這一領域繼續進行深入的探索。

謝曉亮

北大長江講座教授；哈佛化學與化學生物學系講席教授，美國科學院院士。主要研究方向：單分子光譜學、單分子酶學、分子相互作用、構象動態學及大分子的作用機理、活細胞的基因表達、非線性光學成像技術及其生命科學與醫學應用