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不使用微流控如何實(shí)現(xiàn)高通量測序單細(xì)胞基因組
行業(yè)新聞 2020-10-12

這篇我們要學(xué)習(xí)的是美國俄勒岡州衛(wèi)生科學(xué)大學(xué)的Andrew Adey課題組開發(fā)的新型單細(xì)胞測序技術(shù),SCI-seq,如何不需要用微流控和液滴分選就可以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞測序?這種新型的單細(xì)胞測序技術(shù)有何優(yōu)勢?

說起這種新的單細(xì)胞測序技術(shù),首先需要談到Tn5插入的index方法,什么意思那?

不使用微流控如何實(shí)現(xiàn)高通量測序單細(xì)胞基因組?

Tn5是一種轉(zhuǎn)座酶,可以將DNA片段插入到基因組中,因此可以利用Tn5,將想要的序列插入到基因組,并且可以將基因組打斷成相應(yīng)的片段,并且在末端鏈接上想要的序列,如果我們在末端鏈接的序列上,使用不同的序列,因此便可以進(jìn)行復(fù)雜的組合建庫微流控。

那什么叫復(fù)雜建庫那?

不使用微流控如何實(shí)現(xiàn)高通量測序單細(xì)胞基因組?

復(fù)雜建庫的方法就是將PCR index引入的時(shí)候,和Tn5 index引入的時(shí)候,進(jìn)行組合,從而最終可以形成數(shù)十萬種不同的index,而每一個(gè)細(xì)胞將會(huì)得到唯一的index,這也就是復(fù)雜建庫的精髓所在。

那么如何將復(fù)雜建庫應(yīng)用在單細(xì)胞測序上哪?

不使用微流控如何實(shí)現(xiàn)高通量測序單細(xì)胞基因組?

其實(shí)兩年前,便有科學(xué)家們著手這方面的研究,通訊作者Jay也就是本期單細(xì)胞微流控HiC的通訊作者。

不使用微流控如何實(shí)現(xiàn)高通量測序單細(xì)胞基因組?

上圖也就是復(fù)雜建庫方法的精髓所在,首先將細(xì)胞用FACS分選到96孔板中,讓每個(gè)孔有25個(gè)左右的細(xì)胞,然后不同孔之間使用不同的Tn5對(duì)應(yīng)的index,進(jìn)行插入整合。這個(gè)時(shí)候,每個(gè)孔內(nèi)細(xì)胞的index是一樣的,而且細(xì)胞是完整的微流控。

然后再對(duì)細(xì)胞進(jìn)行混合和重新分配,然后這樣,在新的96孔板里面,每個(gè)細(xì)胞的index是不一樣的,然后對(duì)每一個(gè)孔,裂解,加上PCR對(duì)應(yīng)的index,這樣就保證了每個(gè)細(xì)胞的index的唯一性微流控。

理解了這種index的復(fù)雜建庫方法進(jìn)行單細(xì)胞測序后,Jay在2014年這篇Science中開展的就是ATAC-seq,事實(shí)上,轉(zhuǎn)座酶對(duì)染色體的插入并非均一的,而是插入在活性區(qū)域,這樣便可以進(jìn)行活性區(qū)域的判斷。

然而,如果是想要單細(xì)胞DNA測序的話,這個(gè)便成了劣勢,顯然,如果有些區(qū)域無法插入,進(jìn)而就無法建庫,那么無法進(jìn)行DNA覆蓋。

不使用微流控如何實(shí)現(xiàn)高通量測序單細(xì)胞基因組?

因此科學(xué)家們構(gòu)思了一個(gè)非常巧妙的方法,第一種方案是通過鋰輔助的核小體去除的方法,第二種是通過SDS然后歐聯(lián)的方法。

通過這兩種方法,可以看到在上圖中,仍然保持細(xì)胞核的完整性。

然后用復(fù)雜建庫的方法,進(jìn)行測序,這個(gè)時(shí)候就可以獲得更加平均插入的Tn5,index。

從這張圖可以看到與標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行比對(duì),LAND和xSDS兩種方法,可以具有更加均衡的插入建庫。

既然獲得了這種方法,下面需要做的便是評(píng)價(jià)方法的適用情況,是否可以進(jìn)行有效的基因組建庫?與其他方法相比如何?

首先科學(xué)家們對(duì)測序的序列,進(jìn)行分析,可以看到所有的細(xì)胞中,明顯的分為兩類,一類是具有重復(fù)序列很少,質(zhì)量比較高,一類重復(fù)序列很多。顯然前者更適合用于最終的數(shù)據(jù)分析。

那么是否真的是單細(xì)胞分析那?

科學(xué)家們將小鼠和人的細(xì)胞進(jìn)行混合,這樣,如果最終測到的細(xì)胞有小鼠和人細(xì)胞混合的reads,那么提示并非真正的單細(xì)胞。不過這一類數(shù)據(jù)很少,提示確實(shí)是微流控單細(xì)胞數(shù)據(jù)。

那么測序數(shù)據(jù)的覆蓋度如何那?

MAD和MAPD可以用于評(píng)價(jià)不同測序方法覆蓋度的水平,分?jǐn)?shù)越低越好,可以看到在兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中LAND都比xSDS差。

SCI-seq最顯著的應(yīng)用便是用于基因組拷貝數(shù)情況的分析:

首先針對(duì)于不同核型的細(xì)胞,科學(xué)家們對(duì)不同的方法進(jìn)行分析:

可以看到過濾后的數(shù)據(jù)而言,xSDS已經(jīng)和DOP和QRP相差無幾。

最終科學(xué)家們將這種微流控方法,應(yīng)用于恒河猴的大腦染色體拷貝數(shù)分析,和癌癥單細(xì)胞拷貝數(shù)分析:

不使用微流控如何實(shí)現(xiàn)高通量測序單細(xì)胞基因組?

可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來單細(xì)胞測序的費(fèi)用越來越低,將成為人們解析更高層次的生命活動(dòng)的基本手段。

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