2013年值得關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域

1、2013 年值得關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域之：單細胞測序：科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用（轉(zhuǎn)）2013 年值得關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域之：單細胞測序：科學(xué)、 技術(shù)與應(yīng)用基因組所 于軍 研究員12月21 日出版的美國科學(xué)雜志提出2013 年的 6 個值得關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域, 包括單細胞測序、“普朗克”探測微波背景輻射、人類連接組 計劃、探索南極冰下世界、癌癥免疫療法和基礎(chǔ)植物研究。 六個領(lǐng)域中的五個都與生命科學(xué)有關(guān)。其中排在第一位，帶有最新理念的，就是“測定每一個細胞的 序列”。從表面上看，測序好像僅僅是測定 DNA 的序列，也 就是測定每一個細胞所攜帶的遺傳物質(zhì)一-DNA的序列。但 是其實不然，背后有更深刻的意義。首先，人體的每個細

2、胞（單倍體細胞只有性決定細胞：精子 和卵子）通常帶有兩套染色體（每條染色體由一個DNA分 子和眾多蛋白質(zhì)分子輔助組成），而且每個個體所擁有的千 兆個細胞都來自同一個受精卵，理論上來講，這些細胞的DNA序列應(yīng)該百分之百是一樣的。所不同的只是經(jīng)過每一代 人的DNA復(fù)制，基因組（所有染色體）的總體序列會有幾 十個變化，稱為每一代之間的基因組突變率。盡管這個變化 相對每一代人來說是很少的，但是日積月累，加之世界人群 之巨大，總體的變化數(shù)量則是驚人的！在這些變化中，又有 人類個體生老病死等因素的不斷加入，基因和它的組分 -DNA 序列也在世代的變演中或被保留、或被拋棄、甚至 被夸大、抑或僅僅是隨波逐流。

3、當(dāng)然，這些存在于人群中的 DNA 序列變化也會與每個人引為自豪的優(yōu)勢有關(guān)，也會與每 個人不容樂觀的缺陷有關(guān)，更會與我們的體能、長相、智慧、 壽命、乃至疾病有關(guān)。這就是我們要測定更多人基因組序列 的目的之一。我們要將基因組的這些變化與我們的“表型”（可 見和可測定的標(biāo)征）關(guān)聯(lián)起來，找到 DNA 序列與表型的因 果關(guān)系，即所謂的全基因組關(guān)聯(lián)研究。其次，既然基因組序列的變化與細胞的種類無關(guān)，那我們還 在乎單個細胞嗎？有一個最直接的原因，那就是各種惡性腫 瘤細胞往往有自己特殊的變異。這些變異的發(fā)生有兩個基本 的途徑：其一是固有的但是并不馬上致瘤，但潛力可畏；其 二是腫瘤細胞新產(chǎn)生的，既可以定性，也可以

4、定量，更可以 用來指導(dǎo)診斷、預(yù)后和治療。還有些腫瘤相關(guān)的變異可以產(chǎn) 生新（對，在正常狀態(tài)下沒有）的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)則可 以作為藥靶來對待。另外，腫瘤細胞的特征之一是無限增殖， 這里產(chǎn)生的變異之多，相關(guān)性之復(fù)雜都非常吸引人們?nèi)ド钊?研究?？梢?，單個細胞水平的研究會為腫瘤研究提供不少的 腫瘤發(fā)生和不斷變演的線索。第三，如果我們能測定每一個正常細胞的 DNA 序列，我們 還會得到哪些有用的信息呢？答案是：很多。DNA測序歸根 結(jié)底是一門技術(shù)，一門非常有用的技術(shù)。盡管它的原理發(fā)明 是上個世紀(jì) 70 年代的事情，但是“人類基因組計劃”的啟動賦 予它新的動力和生命：我們要在這門技術(shù)的發(fā)展上投入很多 很多

5、的錢，就數(shù)量而言，可以說是空前絕后的： 30 億美元。 結(jié)果是，這門技術(shù)不僅幫我們測定了一個人的基因組（也就 是所謂“人類基因組計劃”）、數(shù)百個人的基因組（也就是所謂 的“基因組單倍體型圖計劃”；該計劃粗略地測了幾百個人的 基因組）、上千個人的基因組（即“1000 人基因組計劃），乃 至今天所談的：每個人的基因組和每個細胞的基因組。這個 技術(shù)的發(fā)展之快，應(yīng)用之深廣，絕對是空前的。它對于科學(xué) 發(fā)展的意義絕對超過航空母艦對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的意義。正是這樣一門技術(shù)支持了我們鑒別單細胞和單細胞功能差 異的欲望。眾所周知，細胞是生命有機體的基本單元。人體 就有近 200 種不同的細胞存在，有的在分化，有的在生長

6、， 有的在復(fù)制，有的在運動，有的在支撐機體，有的在傳導(dǎo)信 號等等。問題是：既然每個人的每個細胞都有相同的基因組 序列（或 DNA 分子），這些細胞在 DNA 序列上的不同體現(xiàn) 在哪里呢？回答之一是：在RNA分子里面。RNA和DNA 一樣是細胞的重要“建筑材料”之一。它們的功能也很復(fù)雜， 有的相當(dāng)于建筑材料，與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成不同的功能結(jié)構(gòu)； 有的則編碼蛋白質(zhì)，“指導(dǎo)”蛋白質(zhì)的合成；有的則是操作分 子，參與很多細胞功能的調(diào)控，RNA可以說是“無孔不入”。 也正是這些無孔不入的分子，才是細胞間非遺傳性差異的“始 作俑者”。換句話說，細胞間的不同很大一部分是由它們的RNA內(nèi)涵所決定。這樣的話，用測定D

7、NA的機器（通過將 RNA“反轉(zhuǎn)錄”為DNA ）來測定每細胞里的RNA組成正是單 細胞測序的關(guān)鍵所在。每一個細胞里都有數(shù)千萬RNA分子。 僅用來編碼蛋白質(zhì)的“信使RNA”（僅占總量1% ）分子就有 逾十萬種，近百萬之多。可想而知，強有力的測序技術(shù)此時 此刻就更有了用武之地！DNA測序技術(shù)在單細胞水平的應(yīng)用還不僅僅是如此。這里可 以舉幾個實際的例子。一個是通過測定DNA序列來來找到 重要調(diào)控蛋白質(zhì)與 DNA 作用的部位（其實也是固定的序列），這個技術(shù)稱為 ChlP-Seq（免疫沉淀-測序偶聯(lián)）技術(shù)，可以用來建立基因調(diào)控 網(wǎng)絡(luò)（當(dāng)然也包括致病基因在內(nèi)了）。還有一個是通過測定 被蛋白質(zhì)保護的部分DN

8、A來確定染色體在細胞核內(nèi)的三維 構(gòu)像和空間分布。目前的研究結(jié)果表明不僅僅是染色體的穩(wěn) 定性，而且它的構(gòu)像和時空分布會與細胞的分化、凋亡、癌 變等有關(guān)。另外，我們還可以細究蛋白質(zhì)復(fù)合體（如核小體） 的排列（包括排列的致密度和位置）來估計基因簇的被調(diào)控 狀態(tài)：協(xié)同、相左還是獨立？此類例子可以更多，甚至有更 長的解釋?？傊?，這些技術(shù)都可以在單細胞水平來觀察變化， 疾病的一部分就體現(xiàn)在細胞水平基因調(diào)控的不正常。比如， 胰島細胞（分泌胰島素）調(diào)控得不正常就導(dǎo)致糖尿病。又如， 衰老個體的細胞和年輕個體的細胞在遺傳總體上和基因調(diào) 控上有何不同？我們目前還沒有直接的手段來用實驗和數(shù) 據(jù)來回答這個問題，或許在單

9、個細胞水平的研究上這些問題 都會迎刃而解。就技術(shù)而言，單細胞測序的關(guān)鍵和特色至少有在四個方面體 現(xiàn)出來。第一，我們必須要建立各種單細胞的觀察、觀測和 分離技術(shù)。流式細胞儀是目前高通量分離細胞的工具之一， 但是要做到分離和研究單個細胞，我們必須要有顯微處理的 能力和相關(guān)儀器。微納加工技術(shù)和微流控技術(shù)的掌握和應(yīng)用 應(yīng)該是不可少的。第二，我們要開發(fā)基于單細胞的 DNA 和 RNA分離和分析技術(shù)。盡管DNA測序可以用擴增后的DNA 來測序，但是無擴增技術(shù)會更好地體現(xiàn)細胞的原始狀態(tài)。第 三，我們要建立單細胞基因表達和調(diào)控的數(shù)學(xué)計算模型。筆 者在十幾年前曾與提岀單細胞測序概念的胡德（Leroy Hood

10、）教授切磋對“竭澤而漁”和“擲網(wǎng)而漁”之間的不同和邏 輯關(guān)系的理解，筆者認(rèn)為也許只有在“自然生態(tài)”下我們才能 真正理解不同“魚兒”（基因）間的生存（功能）和依賴（相 互作用）。因為細胞間的不同是絕對的，因為不僅不同的細 胞不可能有相同的基因在表達譜（基因表達的全部），而且 相同細胞的基因表達譜也會不同（視分辨率的不同而定）。 因為細胞內(nèi)基因表達量的均值時小于一的。也就是說，細胞 里有很多基因的表達量非常低，低到幾十、乃至幾百個細胞 才有這個基因的一個轉(zhuǎn)錄本（拷貝）。可見，單細胞測序不 是沒有挑戰(zhàn)的，不僅僅是技術(shù)，而且包括理論。第四，達到 在單細胞水平研究生命現(xiàn)象和基因的關(guān)系，我們極有必要將 D

11、NA 測序技術(shù)推向單分子水平。這樣我們就舍去了 DNA 的 擴增。目前的單分子 DNA 測序儀還不成熟，新的競爭還剛 剛開始。單分子測序得優(yōu)勢在于我們不僅可以不用擴增地看 到基因變異和表達的全貌，而且可以偵查到剛剛（實時）發(fā) 生的微妙變化。更可以看到每個 DNA 分子和 RNA 分子上的 化學(xué)修飾。因為我們知道DNA至少有四種化學(xué)修飾的狀態(tài)， RNA 則含有少數(shù)（一百余種）化學(xué)修飾的核苷酸。由于不能容易 地測定這些化學(xué)修飾核苷酸的存在和動態(tài)變化，我們無從知 道它們在DNA和RNA分子上的準(zhǔn)確功能。好在目前的測序 技術(shù)允許我們粗略地知道哪些位點（序列的位置）可以有修 飾的核苷酸存在，而且它們的動態(tài)變化被稱為是表觀遺傳學(xué) 研究的內(nèi)容，有些甚至與癌變有關(guān)。單細胞 DNA 測序的本質(zhì)是基因組學(xué)技術(shù)在細胞生物學(xué)上的 應(yīng)用，這不僅充分體現(xiàn)了學(xué)科的交叉和互動，也指出了不可 忽視基因組學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展。就 DNA 測序技術(shù)而言，它 的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度已經(jīng)超過了計算機的計算能力發(fā)展速度（摩 爾定律）。很可惜的是，我國目前還沒有真正重視這一技術(shù) 的發(fā)展。目前的研制焦點在第三代測序技術(shù)，其特點為：單 分子、讀長長、低成本。目前廣泛使用的是第二代設(shè)備，足 以幫助我們測定各類基因組的序列，并且啟動前期單細胞水 平的研究。在科學(xué)上絕無一勞永逸的事件，只有一磚一瓦，只有起重與 降落的周而復(fù)始，不知不覺中“科