取兩個(gè)癌細胞并對其基因組進(jìn)行比較，令人驚訝的是，其基因組會(huì )完全不同，這種基因突變是癌癥的一個(gè)主要標志，同時(shí)也是癌癥難以治療的原因之一。如果腫瘤是由攜帶許多不同基因組的細胞所組成，那么單一的藥物或許無(wú)法奏效，但了解細胞的遺傳突變或許就能幫助臨床研究人員開(kāi)發(fā)新型靶向性療法。
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日前一項發(fā)表在PNAS雜志上的研究報告中，研究人員在一種塑料設備上捕獲了單一的癌細胞，提取其DNA并且繪制出了其序列圖譜，研究者利用光學(xué)標測(optical m app ing)技術(shù)提供了癌細胞基因組的大規模信息，這種技術(shù)的工作原理就好像一張世界地圖，上面有森林、湖畔和山脈，但沒(méi)有像道路、房屋和小城市這樣的細節信息。
通過(guò)比較單一細胞的光學(xué)圖譜和普通人類(lèi)細胞的參考圖譜，研究人員就能夠確定其之間的差異，這些信息就能夠揭示腫瘤內部的基因組異質(zhì)性，甚至能夠闡明細胞是如何進(jìn)展成為腫瘤的。對單一細胞中的DNA進(jìn)行光學(xué)圖譜繪制需要四個(gè)步驟，1）首先捕獲細胞并從中提取長(cháng)鏈DNA；2）利用熒光染料對DNA片段進(jìn)行染色；3）加熱DNA分子，依據DNA序列的不同，染料會(huì )在某些地方比其它地方的附著(zhù)性更好一些，這就會(huì )在DNA分子上留下條碼樣的圖譜；4）最后在顯微鏡下對分子進(jìn)行拉伸和成像，并且讀取“條形碼”。
研究者開(kāi)發(fā)了一種低成本的塑料裝置，其能整合上述四個(gè)步驟，步驟如下圖?！皸l形碼”的工作原理就好像一個(gè)指紋一樣，其能識別與DNA分子密切相關(guān)的基因組部分，甚至能夠揭示成像的DNA分子和參考基因組之間的差異。
測序vs光學(xué)標測
那么為什么要使用光學(xué)圖譜而不是常規的DNA測序技術(shù)呢？傳統的DNA測序方法具有對單一堿基對的分辨率，也就意味著(zhù)其能夠識別出DNA分子中的每個(gè)堿基對，因此如果有足夠材料的話(huà)，研究者就能在幾天內對人類(lèi)細胞中大約60億個(gè)堿基對進(jìn)行全基因組測序，但要對人類(lèi)基因組的單一拷貝進(jìn)行測序卻是一項挑戰，這也是研究人員需要從單一細胞的研究中開(kāi)始的。
研究人員需要面臨的一個(gè)挑戰是傳統的DNA測序方法需要多個(gè)基因組拷貝，由于每個(gè)細胞中只有一個(gè)基因組拷貝，因此第一步就是將細胞中的基因組復制多次，這就是所謂的DNA擴增，但是復制過(guò)程中就會(huì )偶爾發(fā)生錯誤，從而使得結果模糊不清。另外一項挑戰就是DNA分子的每一個(gè)副本都會(huì )被隨機切割成更小的片段，即只有幾百個(gè)堿基對長(cháng)的片段，然后對這些片段進(jìn)行測序，隨后研究者再對序列進(jìn)行組裝使其成為一個(gè)完整的基因組。
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目前研究者很難檢測到基因組結構上的變化，比如重復模式、基因片段的插入或缺失，正是這種結構信息可能會(huì )對于后期研究者開(kāi)發(fā)癌癥療法有效。至少從理論上來(lái)講，有一種更為有效的方法來(lái)讀取DNA序列，光學(xué)標測(optical m app ing)技術(shù)就能夠勝任這項工作，其能夠為長(cháng)達100萬(wàn)個(gè)堿基對的DNA分子序列提供一個(gè)粗略的“指紋”，這比DNA測序的短讀取長(cháng)度要唱的多，而且還避免了DNA測序所需要的擴增步驟。
這種長(cháng)片段就能使得檢測結構變化成為可能，這些結構變化從幾千堿基對到幾百個(gè)堿基對不等，通過(guò)DNA測序就能夠檢測到較小的改變。因此，測序和圖譜繪制的方式是互補的，從原則上來(lái)講，DNA分子能被進(jìn)行光學(xué)圖譜繪制和測序；
在單細胞水平上對基因組進(jìn)行測序或能幫助研究人員開(kāi)發(fā)出有效且個(gè)性化的癌癥療法，但正如研究者在上面提到的那樣，使用目前的測序技術(shù)對單一細胞的DNA進(jìn)行測序需要更高的要求。研究人員也首次證實(shí)了光學(xué)標測技術(shù)能夠檢測單一細胞DNA分子中大規模的遺傳變異，而且不需要DNA測序方法所要求的擴增步驟。
樣品的制備是在一個(gè)單用途的實(shí)驗用芯片設備上完成的，研究者能從單一細胞開(kāi)始完成所有有用的基因組數據，這種設備減少了昂貴化學(xué)品的使用，同時(shí)也將污染風(fēng)險降到了最低。目前這項研究工作尚處于研究階段，目前研究者所面臨的挑戰就是增加通量，這樣他們就能一次性對更多DNA分子進(jìn)行分析，從而繪制出單個(gè)細胞的所有DNA圖譜。
參考資料：
【1】Are all cancer cells the same?
【2】Rodolphe Marie et al. Single-molecule DNA-m app ing and whole-genome sequencing of individual cells, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1804194115
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