科學家開發單細胞全轉錄組測序新技術

　　北京大學生物動態光學成像中心黃巖誼、湯富酬課題組在《美國科學院院刊》（PNAS）上發表題為“Microfluidic single-cell whole-transcriptome sequencing”的論文。該研究利用微流控芯片技術實現了高質量單細胞的全轉錄組測序樣品準備，全面提高了單細胞全轉錄組分析的準確性和可靠性。

　　細胞是生命活動的基本功能單位，而在生物體內沒有任何兩個細胞是完全相同的。傳統的生命科學與醫學研究，絕大多數情況下都是針對混合的大量細胞進行的，無法 觀察到單個細胞之間細微的差別。近年來不斷發展的實驗技術，提供了更加定量與客觀的證據，表明在許多關鍵生命過程例如胚胎發育、細胞分化、疾病發生與發展 等過程中，特定的單個細胞行為，以及其間的個體化差異與異質性，導致了極其重要甚至是決定性的結果。而之前基于大量細胞平均測量所獲得的結果并無法正確反 映復雜生物體系的全面真實信息，嚴重掩蓋了獨立個體樣本的行為以及生命現象中大量存在的隨機行為。針對單個細胞的研究，是細胞生命分析技術所追求的極限狀 態，是對傳統技術極大的挑戰。

　　單細胞測序利用新一代的測序技術來分析單個細胞內的基因信息，成為解讀單細胞的最佳工具。單細胞全轉錄組 測序是單細胞高通量測序需求量最大的應用，它所測定的是單個細胞內所有基因的表達量，同時還可以測定除了mRNA分子外，其他長非編碼 RNA（lncRNA）以及小RNA的含量，定量獲取單個細胞完整的表達譜。目前采用的新一代測序技術中，絕大多數方法都需要特定的前處理過程，制備“測 序文庫”。而針對單細胞樣品，已有的方法均存在很多缺陷，導致檢測靈敏度不高、基因表達信息丟失嚴重、技術噪音高、操作失誤率高、重復性差。

　　為了解決這一矛盾，兩個課題組合作開發了新的文庫制備方法，將最關鍵的單細胞轉錄組文庫構建步驟集成在一個微流控芯片上，可以同時進行多個樣品的操作。這一 技術的開發，大大減少了試劑用量，在反應效率得到提升的同時極大地抑制了污染的發生，還減少了操作誤差，實現了更高的可靠性和更好的平行性。

　　通過對幾十個細胞的分析表明，這一方法可以有效地消除轉錄組高度動態特性所帶來的測量差異，實現對單細胞異質性的分析和判斷。通過多個細胞較低深度的轉錄組 測序，可以獲取比同等成本下單個細胞高深度測序更重要的細胞異質性信息，而更好地展現生物體系的復雜性、隨機性和動態過程。而通過微流控芯片上的精確細胞 操控和主動俘獲過程，還可以擺脫其他類似方法中隨機俘獲的局限性，實現對極其少量細胞的完全俘獲和反應前的表型觀察，以更好地理解和驗證單個細胞的異質 性。與已有的技術相比，這一工作展示了目前最好的單細胞轉錄組測序檢測靈敏度和平行性。

　　黃巖誼博士同時任北京大學工學院教授，湯富酬博 士同時任北京大學生命科學學院研究員。黃巖誼組博士后Aaron Streets博士、趙亮博士和研究生張先念為論文的主要作者。這一工作得到了國家科技部973計劃、863計劃、國家自然科學基金委及霍英東教育基金會 的資助。