單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)鑒定出發(fā)育中的基因表達變化
日期:2010-08-02 13:45:11
Life Technologies公司和劍橋大學Gurdon癌癥與發(fā)育生物學研究所的研究人員合作開發(fā)出一種單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù),用于研究細胞從內(nèi)細胞團發(fā)育成胚胎干細胞時的基因表達變化。
這種技術(shù)不僅可用于研究正常發(fā)育時單細胞水平發(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《細胞•干細胞》雜志上。Life Technologies正將這種技術(shù)開發(fā)成一個試劑盒。
研究人員以去年一項發(fā)表在《自然方法學》上的研究為基礎(chǔ),該研究在胚胎中采用了單分子RNA測序方法。Life Technologies分子生物學部門的首席科學家,文章的通訊作者Kaiqin Lao告訴《In Sequence》,在那項研究中的細胞大約比干細胞多50倍,而在目前這項研究中,作者們在只含有100 飛克(1飛克 = 10-15克)mRNA的細胞上驗證了這種方法同樣可行。
Lao及他的研究小組在Life Technologies的SOLiD儀器上對不同發(fā)育階段的33個單細胞的轉(zhuǎn)錄組進行了測序,以便研究當細胞從小鼠胚泡的內(nèi)細胞團發(fā)育成多能胚胎干細胞時的基因表達變化。
研究人員首先確認了只有來自內(nèi)細胞團的細胞包含有可發(fā)育成胚胎干細胞所必需的基因。然后,他們分析了在細胞發(fā)育成胚胎干細胞過程中五個不同階段的單個細胞。他們的目標是研究細胞發(fā)育時基因表達如何改變,并找出同一發(fā)育階段不同細胞之間的基因表達差異。
劍橋大學的研究人員利用Life Technologies開發(fā)的引物來捕獲mRNA,并將其轉(zhuǎn)化成cDNA,隨后擴增。然后Life Technologies的研究人員以此開展測序。
Life Technologies的研究小組從每個細胞中獲得了三千萬-四千萬個讀數(shù),Lao認為這足夠研究中的分析使用?!叭绻阆胍榭醇艚幼凅w,那么兩千萬個讀取就太低了。四千萬個是你的目標?!?/FONT>
在他們測序的胚胎干細胞階段的12個細胞中,他們檢測到大約65%的已知轉(zhuǎn)錄本,Lao認為這很有可能是發(fā)育早期階段的基因表達程度。
Lao表示,他正在努力改進這種方法,公司將開發(fā)一個試劑盒,用于“低起始量”的轉(zhuǎn)錄組測序,但目前還沒有上市日期。
首先,Life Technologies的研究小組必須優(yōu)化操作步驟,以便能夠捕獲每個轉(zhuǎn)錄本的全長。目前,用于分離mRNA的引物偏向轉(zhuǎn)錄本的3’端,因此對于長轉(zhuǎn)錄本來說缺少5’端。在這個特定研究中,這并不是問題,但對于想研究轉(zhuǎn)錄起始位點的研究人員來說,方法必須改進。
Lao表示,他們能夠捕獲最多3 kb的轉(zhuǎn)錄本,或者說轉(zhuǎn)錄本的60%。他正在使用不同的酶和試劑,努力將長度擴大至10 kb。他認為這將是這項技術(shù)有待克服的最大技術(shù)障礙?!皵U大至10 kb需要一切都準確無誤,”他這樣表示。
他表示傾向于讓這種方法成為鏈特異的,并利用一個帶有條形碼的96孔板來實現(xiàn),這樣來自96個不同細胞的RNA就能一次收集并測序。Lao認為那兩個改進都不太難,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細胞發(fā)育時基因表達是如何改變的。他們還鑒別出兩類看起來負責調(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。
作者們將胚胎干細胞的轉(zhuǎn)錄組與來自內(nèi)細胞團和外胚層細胞的轉(zhuǎn)錄組進行了比較。他們發(fā)現(xiàn)了細胞處于不同階段時在分子特征上的清晰差異。具體地說,他們發(fā)現(xiàn)2475個基因在內(nèi)細胞團階段和胚胎干細胞階段的表達存在4倍以上的變化,另外大約2362個基因存在0.25倍以下的變化。此外,他們還發(fā)現(xiàn)了2110個基因在外胚層和干細胞階段存在4倍以上的變化,而1170個基因存在0.25倍以下的變化。
比較同一階段不同細胞之間的表達水平,他們發(fā)現(xiàn)中等表達水平的基因比高表達水平的基因有著更高的可變性。
冷泉港實驗室的博士后研究人員Nick Navin認為這個結(jié)果彰顯了單細胞轉(zhuǎn)錄組測序的力量,他曾使用單細胞全基因組測序來研究腫瘤異質(zhì)性(IS 5/18/2010)。他認為:“他們清晰表明在某一特定階段,細胞與細胞之間多個基因的表達往往不同。如果他們一直在研究細胞群體,那么有著不同表達水平的稀有細胞將會錯過。”
研究人員還發(fā)現(xiàn),在胚胎干細胞階段,與細胞命運相關(guān)聯(lián)的基因已經(jīng)變得豐富?!斑@表明已經(jīng)有一些分化。一些細胞已經(jīng)開始走向它們的譜系?!盢avin這樣說。
他還談到了一個特別有趣的發(fā)現(xiàn),就是作者們發(fā)現(xiàn)當ICM細胞發(fā)育時表達的轉(zhuǎn)錄本異構(gòu)體存在很大變化,包括胚胎干細胞中缺失的128個轉(zhuǎn)錄變異體,以及169個在ICM中不表達而在ESC中表達的轉(zhuǎn)錄本。
Gurdon研究所生理學與生殖方面的教授,文章的另一位通訊作者Azim Surani通過電子郵件告訴《In Sequence》,研究結(jié)果提示“在胚胎發(fā)育的過程中,對選擇性剪接的調(diào)控可能對建立和調(diào)控單個細胞中的轉(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“這兩組miRNA也許可以讓胚胎干細胞對不同的信號分子和培養(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測序來研究早期生殖細胞發(fā)育過程中的基因表達動力學,以幫助了解表觀遺傳的重編程事件。他認為這種技術(shù)對分析細胞群體中的細胞異質(zhì)性很有用,這個群體包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)、造血和其它干細胞,以及腫瘤細胞。它在鑒定癌癥干細胞的存在時特別有用。
Navin也同意這種技術(shù)在研究癌癥時特別有用,因為腫瘤的異質(zhì)性。他說:“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大的方法?!?/FONT>