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2018前沿技术——将高通量测序应用于单细胞分析

2018-02-02

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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。

随着技术的不断进步,2018年,核酸测序技术将更加深入地了解单细胞在细胞系中的表现,以及细胞系之间的多样性。

了解特异性以改善癌症效果

为什么特异性如此重要?因为特异性是癌症的一个重要特征,了解癌症的性质和诱因将带来更好的治疗方法。

思考以下实验,取1000个癌细胞,在半固态培养基(如软琼脂培养基)中对其进行克隆,孵育并等待克隆癌细胞形成。假设有50个克隆癌细胞,那么相当于5%的克隆率。

现在,收取其中一个克隆癌细胞,破碎细胞并重复克隆实验。会得到什么呢?会发现克隆率依然是5%。这意味着,克隆原性是不可改变的,这个特征是细胞的“精神状态”。

转移像克隆的过程

癌症转移是癌细胞通过血液或淋巴传播的过程,并在远离原发肿瘤的器官生长次级肿瘤。转移使得癌症威胁生命。癌细胞是通过克隆转移的,认识到转移是一个克隆的过程并不是一件容易的事。

1976年,Isaiah博士说Fidler发现了B16-F1/B16-F10细胞系;B16-F1/B16-F10细胞系是通过重复筛选得到的能够引起B16-F1原代细胞转移的细胞系。实验发现,B16-F10细胞系比B16-F1细胞系产生更多的实验性肺癌细胞转移。

与我们类似的体外实验相比,转移性表型明显丰富。在他的实验中,Fidler博士得出结论,转移性的表型在某种程度上是“真实的”。

转移形成的数量差异的探讨

然而,8年后的1984年,一项重要却经常被忽视的研究在《科学》上发表了,该研究提出了与Fidler博士工作完全不同的解释。本文探讨了B16-F1 细胞系和 B16-F10细胞系之间转移的数量差异。论文的结论有两方面:

  1. 这两种细胞系中绝大多数细胞是非转移性的,转移能力是一种罕见的特征。
  2. 更有趣的是,使用Luria-Delbruck变量分析得出,这两个细胞系之间的差异实际上是细胞的转移率。

换句话说,B16-F1细胞系和B16-F10细胞系之间的差异不是在转移过程中,而是在转移细胞的出现频率。

这一结论与Fidler博士的观察结果不矛盾,即B16-F10细胞系有“更多的转移性”。但是对于转移性变异的产生是如何发展的、转移的能力,就像半固体培养基中的克隆,似乎又是一个细胞的“状态”。

“动态特异性”描述了细胞系特异性的流动性

Hill博士和同事们用“动态特异性”表达了一个观点:细胞群体中的表型特异性是流动的。像化学反应一样,“反应箭头”指向两个方向。

要真正理解细胞系中特异性的本质,我们必须分析该细胞系。所以,我用这篇介绍来强调一下我们在这个领域已经取得的有趣技术进步,这项技术有望在2018年得到推广——单细胞分析。

迄今为止,单细胞分析一直以细胞流式为主。现在,通过激光和光电倍增管对单个细胞上的18种不同的标记进行分析已成为常规实验。然而,要分析特异性的产生,18个标记还远远不够。

高通量测序,以推进单细胞分析

高通量测序技术现在正被应用于单细胞分析中。正是这项技术,我们开始做一些有意思的实验,这些实验也得以在2018年发展起来。

在单细胞中,基因表达的一个特征是它遵循对数正态分布。这可能不是很直观,因为我们大多数人更倾向于线性分布,而不是对数。然而,这种观察是正确的,因为我们在典型的细胞流式实验中观察到相同的分布。流式细胞仪产生的典型直方图,是正态分布;但在对数尺度上,这两个结果是一致的。

研究人员在几乎一致的细胞系中,观察到单细胞有多种分布。在这个例子中,用LPS处理细胞群,然后分析单细胞水平的基因表达模式。结果显示,尽管基因一致,但有些是双模态分布。

研究斑马鱼造血功能的报告显示,在分化过程中单细胞基因表达是连续统一的。但这并不是说,分化是沿着一条通路的一系列变化。

前沿技术对生物分析的帮助

科技的进步使物理学家们更深入地研究原子,从而发现物质是由未知的微粒组成的未知化合物。通过使用高通量测序进行单细胞分析,揭示了克隆原性的本质和对癌症动态特异性的更深入的理解,更有望揭示神秘的细胞内部工作机制。

参考文献:

Topics: Oncology

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