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單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)鑒定出發(fā)育中的基因表達(dá)變化

日期:2010-08-02 13:45:11

Life Technologies公司和劍橋大學(xué)Gurdon癌癥與發(fā)育生物學(xué)研究所的研究人員合作開發(fā)出一種單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù),用于研究細(xì)胞從內(nèi)細(xì)胞團(tuán)發(fā)育成胚胎干細(xì)胞時(shí)的基因表達(dá)變化。

這種技術(shù)不僅可用于研究正常發(fā)育時(shí)單細(xì)胞水平發(fā)生的變化,也適用于研究疾病狀態(tài)如癌癥和神經(jīng)退行性疾病的變化,它發(fā)表在近期的《細(xì)胞•干細(xì)胞》雜志上。Life Technologies正將這種技術(shù)開發(fā)成一個(gè)試劑盒。

研究人員以去年一項(xiàng)發(fā)表在《自然方法學(xué)》上的研究為基礎(chǔ),該研究在胚胎中采用了單分子RNA測(cè)序方法。Life Technologies分子生物學(xué)部門的首席科學(xué)家,文章的通訊作者Kaiqin Lao告訴《In Sequence》,在那項(xiàng)研究中的細(xì)胞大約比干細(xì)胞多50倍,而在目前這項(xiàng)研究中,作者們?cè)谥缓?00 飛克(1飛克 = 10-15克)mRNA的細(xì)胞上驗(yàn)證了這種方法同樣可行。

Lao及他的研究小組在Life Technologies的SOLiD儀器上對(duì)不同發(fā)育階段的33個(gè)單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了測(cè)序,以便研究當(dāng)細(xì)胞從小鼠胚泡的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)發(fā)育成多能胚胎干細(xì)胞時(shí)的基因表達(dá)變化。

研究人員首先確認(rèn)了只有來(lái)自內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的細(xì)胞包含有可發(fā)育成胚胎干細(xì)胞所必需的基因。然后,他們分析了在細(xì)胞發(fā)育成胚胎干細(xì)胞過(guò)程中五個(gè)不同階段的單個(gè)細(xì)胞。他們的目標(biāo)是研究細(xì)胞發(fā)育時(shí)基因表達(dá)如何改變,并找出同一發(fā)育階段不同細(xì)胞之間的基因表達(dá)差異。

劍橋大學(xué)的研究人員利用Life Technologies開發(fā)的引物來(lái)捕獲mRNA,并將其轉(zhuǎn)化成cDNA,隨后擴(kuò)增。然后Life Technologies的研究人員以此開展測(cè)序。

Life Technologies的研究小組從每個(gè)細(xì)胞中獲得了三千萬(wàn)-四千萬(wàn)個(gè)讀數(shù),Lao認(rèn)為這足夠研究中的分析使用?!叭绻阆胍榭醇艚幼凅w,那么兩千萬(wàn)個(gè)讀取就太低了。四千萬(wàn)個(gè)是你的目標(biāo)?!?/FONT>

在他們測(cè)序的胚胎干細(xì)胞階段的12個(gè)細(xì)胞中,他們檢測(cè)到大約65%的已知轉(zhuǎn)錄本,Lao認(rèn)為這很有可能是發(fā)育早期階段的基因表達(dá)程度。

Lao表示,他正在努力改進(jìn)這種方法,公司將開發(fā)一個(gè)試劑盒,用于“低起始量”的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,但目前還沒(méi)有上市日期。

首先,Life Technologies的研究小組必須優(yōu)化操作步驟,以便能夠捕獲每個(gè)轉(zhuǎn)錄本的全長(zhǎng)。目前,用于分離mRNA的引物偏向轉(zhuǎn)錄本的3’端,因此對(duì)于長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本來(lái)說(shuō)缺少5’端。在這個(gè)特定研究中,這并不是問(wèn)題,但對(duì)于想研究轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的研究人員來(lái)說(shuō),方法必須改進(jìn)。

Lao表示,他們能夠捕獲最多3 kb的轉(zhuǎn)錄本,或者說(shuō)轉(zhuǎn)錄本的60%。他正在使用不同的酶和試劑,努力將長(zhǎng)度擴(kuò)大至10 kb。他認(rèn)為這將是這項(xiàng)技術(shù)有待克服的最大技術(shù)障礙?!皵U(kuò)大至10 kb需要一切都準(zhǔn)確無(wú)誤,”他這樣表示。

他表示傾向于讓這種方法成為鏈特異的,并利用一個(gè)帶有條形碼的96孔板來(lái)實(shí)現(xiàn),這樣來(lái)自96個(gè)不同細(xì)胞的RNA就能一次收集并測(cè)序。Lao認(rèn)為那兩個(gè)改進(jìn)都不太難,目前已經(jīng)有一種方案讓方法成為鏈特異的,不過(guò)未在本次研究中使用。

利用這種技術(shù),研究人員可以展示當(dāng)細(xì)胞發(fā)育時(shí)基因表達(dá)是如何改變的。他們還鑒別出兩類看起來(lái)負(fù)責(zé)調(diào)控多能性的microRNA,以及似乎在調(diào)控發(fā)育中起作用的選擇性剪接事件。

作者們將胚胎干細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組與來(lái)自內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和外胚層細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞處于不同階段時(shí)在分子特征上的清晰差異。具體地說(shuō),他們發(fā)現(xiàn)2475個(gè)基因在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)階段和胚胎干細(xì)胞階段的表達(dá)存在4倍以上的變化,另外大約2362個(gè)基因存在0.25倍以下的變化。此外,他們還發(fā)現(xiàn)了2110個(gè)基因在外胚層和干細(xì)胞階段存在4倍以上的變化,而1170個(gè)基因存在0.25倍以下的變化。

比較同一階段不同細(xì)胞之間的表達(dá)水平,他們發(fā)現(xiàn)中等表達(dá)水平的基因比高表達(dá)水平的基因有著更高的可變性。

冷泉港實(shí)驗(yàn)室的博士后研究人員Nick Navin認(rèn)為這個(gè)結(jié)果彰顯了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的力量,他曾使用單細(xì)胞全基因組測(cè)序來(lái)研究腫瘤異質(zhì)性(IS 5/18/2010)。他認(rèn)為:“他們清晰表明在某一特定階段,細(xì)胞與細(xì)胞之間多個(gè)基因的表達(dá)往往不同。如果他們一直在研究細(xì)胞群體,那么有著不同表達(dá)水平的稀有細(xì)胞將會(huì)錯(cuò)過(guò)?!?/FONT>

研究人員還發(fā)現(xiàn),在胚胎干細(xì)胞階段,與細(xì)胞命運(yùn)相關(guān)聯(lián)的基因已經(jīng)變得豐富。“這表明已經(jīng)有一些分化。一些細(xì)胞已經(jīng)開始走向它們的譜系。”Navin這樣說(shuō)。

他還談到了一個(gè)特別有趣的發(fā)現(xiàn),就是作者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)ICM細(xì)胞發(fā)育時(shí)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本異構(gòu)體存在很大變化,包括胚胎干細(xì)胞中缺失的128個(gè)轉(zhuǎn)錄變異體,以及169個(gè)在ICM中不表達(dá)而在ESC中表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本。

Gurdon研究所生理學(xué)與生殖方面的教授,文章的另一位通訊作者Azim Surani通過(guò)電子郵件告訴《In Sequence》,研究結(jié)果提示“在胚胎發(fā)育的過(guò)程中,對(duì)選擇性剪接的調(diào)控可能對(duì)建立和調(diào)控單個(gè)細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要?!?/FONT>

最后,作者們鑒定出兩類miRNA,一類促進(jìn)分化,而另一類抑制分化。Surani表示,兩組miRNA可能共同作用,從而維持多能狀態(tài)。他說(shuō)“這兩組miRNA也許可以讓胚胎干細(xì)胞對(duì)不同的信號(hào)分子和培養(yǎng)條件作出正確的響應(yīng)?!?/FONT>

他表示,他的研究小組目前正在使用單分子RNA測(cè)序來(lái)研究早期生殖細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)動(dòng)力學(xué),以幫助了解表觀遺傳的重編程事件。他認(rèn)為這種技術(shù)對(duì)分析細(xì)胞群體中的細(xì)胞異質(zhì)性很有用,這個(gè)群體包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)、造血和其它干細(xì)胞,以及腫瘤細(xì)胞。它在鑒定癌癥干細(xì)胞的存在時(shí)特別有用。

Navin也同意這種技術(shù)在研究癌癥時(shí)特別有用,因?yàn)槟[瘤的異質(zhì)性。他說(shuō):“將它與全基因組結(jié)構(gòu)變化相結(jié)合,將是了解腫瘤亞群的一種非常強(qiáng)大的方法?!?/FONT>