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2018前沿技術——將高通量測序應用於單細胞分析

2018-02-2

基因决定表型,这是生物学的一个真理。这意味着,在很大程度上,细胞的特殊功能由其mRNA和翻译出的蛋白决定。基因決定表型,這是生物學的一個真理。這意味著,在很大程度上,細胞的特殊功能由其mRNA和翻譯出的蛋白決定。

隨著技術的不斷進步,2018年,核酸測序技術將更加深入地瞭解單細胞在細胞系中的表現,以及細胞系之間的多樣性。

瞭解特異性以改善癌症效果

為什麼特異性如此重要?因為特異性是癌症的一個重要特徵,瞭解癌症的性質和誘因將帶來更好的治療方法。

思考以下實驗,取1000個癌細胞,在半固態培養基(如軟瓊脂培養基)中對其進行克隆,孵育並等待克隆癌細胞形成。假設有50個克隆癌細胞,那麼相當於5%的克隆率。

現在,收取其中一個克隆癌細胞,破碎細胞並重複克隆實驗。會得到什麼呢?會發現克隆率依然是5%。這意味著,克隆原性是不可改變的,這個特徵是細胞的“精神狀態”。

轉移像克隆的過程

癌症轉移是癌細胞通過血液或淋巴傳播的過程,並在遠離原發腫瘤的器官生長次級腫瘤。轉移使得癌症威脅生命。癌細胞是通過克隆轉移的,認識到轉移是一個克隆的過程並不是一件容易的事。

1976年,Isaiah博士說Fidler發現了B16-F1/B16-F10細胞系;B16-F1/B16-F10細胞系是通過重複篩選得到的能夠引起B16-F1原代細胞轉移的細胞系。實驗發現,B16-F10細胞系比B16-F1細胞系產生更多的實驗性肺癌細胞轉移。

與我們類似的體外實驗相比,轉移性表型明顯豐富。在他的實驗中,Fidler博士得出結論,轉移性的表型在某種程度上是“真實的”。

轉移形成的數量差異的探討

然而,8年後的1984年,一項重要卻經常被忽視的研究在《科學》上發表了,該研究提出了與Fidler博士工作完全不同的解釋。本文探討了B16-F1 細胞系和 B16-F10細胞系之間轉移的數量差異。論文的結論有兩方面:

  1. 這兩種細胞系中絕大多數細胞是非轉移性的,轉移能力是一種罕見的特徵。
  2. 更有趣的是,使用Luria-Delbruck變數分析得出,這兩個細胞系之間的差異實際上是細胞的轉移率。

換句話說,B16-F1細胞系和B16-F10細胞系之間的差異不是在轉移過程中,而是在轉移細胞的出現頻率。

這一結論與Fidler博士的觀察結果不矛盾,即B16-F10細胞系有“更多的轉移性”。但是對於轉移性變異的產生是如何發展的、轉移的能力,就像半固體培養基中的克隆,似乎又是一個細胞的“狀態”。

“動態特異性”描述了細胞系特異性的流動性

Hill博士和同事們用“動態特異性”表達了一個觀點:細胞群體中的表型特異性是流動的。像化學反應一樣,“反應箭頭”指向兩個方向。

要真正理解細胞系中特異性的本質,我們必須分析該細胞系。所以,我用這篇介紹來強調一下我們在這個領域已經取得的有趣技術進步,這項技術有望在2018年得到推廣——單細胞分析。

迄今為止,單細胞分析一直以細胞流式為主。現在,通過鐳射和光電倍增管對單個細胞上的18種不同的標記進行分析已成為常規實驗。然而,要分析特異性的產生,18個標記還遠遠不夠。

高通量測序,以推進單細胞分析

高通量測序技術現在正被應用於單細胞分析中。正是這項技術,我們開始做一些有意思的實驗,這些實驗也得以在2018年發展起來。

在單細胞中,基因表達的一個特徵是它遵循對數正態分佈。這可能不是很直觀,因為我們大多數人更傾向於線性分佈,而不是對數。然而,這種觀察是正確的,因為我們在典型的細胞流式實驗中觀察到相同的分佈。流式細胞儀產生的典型長條圖,是正態分佈;但在對數尺度上,這兩個結果是一致的。

研究人員在幾乎一致的細胞系中,觀察到單細胞有多種分佈。在這個例子中,用LPS處理細胞群,然後分析單細胞水準的基因表達模式。結果顯示,儘管基因一致,但有些是雙模態分佈。

研究斑馬魚造血功能的報告顯示,在分化過程中單細胞基因表達是連續統一的。但這並不是說,分化是沿著一條通路的一系列變化。

前沿技術對生物分析的幫助

科技的進步使物理學家們更深入地研究原子,從而發現物質是由未知的微粒組成的未知化合物。通過使用高通量測序進行單細胞分析,揭示了克隆原性的本質和對癌症動態特異性的更深入的理解,更有望揭示神秘的細胞內部工作機制。

參考文獻:

Topics: Oncology