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《細(xì)胞》:單細(xì)胞測序助力基因重組圖譜

日期:2012-07-23 08:22:24

來自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院等處的研究人員發(fā)表了題為“Genome-wide Single-Cell Analysis of Recombination Activity and De Novo Mutation Rates in Human Sperm”的文章,首次公布了來自一個成人男子91個精子的全部基因組序列,這項研究成果第一次繪制了個體基因重組圖譜,也首次發(fā)現(xiàn)了來自同一個人的不同精子的不同突變率。相關(guān)成果公布在Cell雜志上。

 

對精子細(xì)胞進行測序十分有趣,因為重組這一天然過程使得一個嬰兒融合了來自TA的四個祖父母的DNA,至今科學(xué)家們主要依賴于群體遺傳學(xué)的方法,來預(yù)測這種重組在單個精子或者卵細(xì)胞中發(fā)生的頻率,以及具體的遺傳信息交匯的數(shù)量。但是這種方法比較粗略,無法了解單個細(xì)胞的具體情況。

 

為了解決這個問題,研究人員采用了單細(xì)胞測序技術(shù),對每個精子細(xì)胞的序列進行了測定,并從中繪制單個精子的基因重組圖譜,這些重要的實驗結(jié)果能幫助研究人員分析人類重組的動力學(xué)基礎(chǔ)機理,以及其與男性不育癥之間的關(guān)聯(lián)。

 

“對于每個精子和卵細(xì)胞,重組這個遺傳交換過程出現(xiàn)的精確位置,頻率和程度都是獨一無二的”,文章的通訊作者,斯坦福大學(xué)生物工程與應(yīng)用物理學(xué)教授 Stephen Quake說,“之前我們從未能詳細(xì)了解這個過程,每個個體中出現(xiàn)的情況,反映了整體水平,這十分有趣。”

 

重組過程出現(xiàn)的主要問題會導(dǎo)致精子丟失蛋白,甚至整個染色體,從而引起這些細(xì)胞無法,或者也許無法讓卵細(xì)胞受精,但是研究人員要了解其中存在的問題,并不容易。

 

“目前我們使用的評估精子活動的大多數(shù)技術(shù)都相對來說,比較粗糙”,Quake教授說。

 

為了深入了解其中的奧秘,研究人員首先分離并測序了來自一個四十歲男子的將近100個精子細(xì)胞,這名男子已生育健康的后代,其精液樣品看上去正常。之前研究人員已經(jīng)以高精度,完成了這名男子的全基因組序列測定(二倍體細(xì)胞)。

 

之后研究人員比較了精子細(xì)胞與二倍體細(xì)胞的序列,從中他們可以通過比較二倍體細(xì)胞和單倍體精子細(xì)胞,了解每個重組發(fā)生的情況。

 

結(jié)果研究人員在精子細(xì)胞中識別出了25-36個新出現(xiàn)的單核苷酸突變,這些突變在二倍體基因組中沒有出現(xiàn)。這種隨機突變是產(chǎn)生遺傳變異的一種方式,但是如果它們出現(xiàn)在基因組中的特殊位置,那么就會帶來有害的影響。

 

Quake教授一直在利用一種芯片實驗室(lab on a chip)開發(fā)單細(xì)胞技術(shù),在這種技術(shù)中,樣本通過一連串微通道和微閥門分離單個細(xì)胞提取出DNA,并拷貝數(shù)千次以獲得足夠的量用于測序。利用這種技術(shù),Quake教授與他的同事分析了這將近100個精子的重組率,發(fā)現(xiàn)了許多新的重組熱點和與間接方法發(fā)現(xiàn)的相一致的比率。

 

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