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所有癌细胞都是一样的吗?并非如此!

更新时间:2021-04-21 19:07:25

  取两个癌细胞并对其基因组进行比较,令人惊讶的是,其基因组会完全不同,这种基因突变是癌症的一个主要标志,同时也是癌症难以治疗的原因之一。如果肿瘤是由携带许多不同基因组的细胞所组成,那么单一的药物或许无法奏效,但了解细胞的遗传突变或许就能帮助临床研究人员开发新型靶向性疗法。

  日前一项发表在PNAS杂志上的研究报告中,研究人员在一种塑料设备上捕获了单一的癌细胞,提取其DNA并且绘制出了其序列图谱,研究者利用光学标测(optical mapping)技术提供了癌细胞基因组的大规模信息,这种技术的工作原理就好像一张世界地图,上面有森林、湖畔和山脉,但没有像道路、房屋和小城市这样的细节信息。

  通过比较单一细胞的光学图谱和普通人类细胞的美国蓝鳄真实感受考图谱,研究人员就能够确定其之间的差异,这些信息就能够揭示肿瘤内部的基因组异质性,甚至能够阐明细胞是如何进展成为肿瘤的。对单一细胞中的DNA进行光学图谱绘制需要四个步骤,1)首先捕获细胞并从中提取长链DNA;2)利用荧光染料对DNA片段进行染色;3)加热DNA分子,依据DNA序列的不同,染料会在某些地方比其它地方的附着性更好一些,这就会在DNA分子上留下条码样的图谱;4)后在显微镜下对分子进行拉伸和成像,并且读取“条形码”。

  研究者开发了一种低成本的塑料装置,其能整合上述四个步骤,步骤如下图。“条形码”的工作原理就好像一个指纹一样,其能识别与DNA分子密切相关的基因组部分,甚至能够揭示成像的DNA分子和美国蓝鳄真实感受考基因组之间的差异。

  测序vs光学标测

  那么为什么要使用光学图谱而不是常规的DNA测序技术呢?传统的DNA测序方法具有对单一碱基对的分辨率,也就意味着其能够识别出DNA分子中的每个碱基对,因此如果有足够材料的话,研究者就能在几天内对人类细胞中大约60亿个碱基对进行全基因组测序,但要对人类基因组的单一拷贝进行测序却是一项挑战,这也是研究人员需要从单一细胞的研究中开始的。

  研究人员需要面临的一个挑战是传统的DNA测序方法需要多个基因组拷贝,由于每个细胞中只有一个基因组拷贝,因此第一步就是将细胞中的基因组复制多次,这就是所谓的DNA扩增,但是复制过程中就会偶尔发生错误,从而使得结果模糊不清。另外一项挑战就是DNA分子的每一个副本都会被随机切割成更小的片段,即只有几百个碱基对长的片段,然后对这些片段进行测序,随后研究者再对序列进行组装使其成为一个完整的基因组。

  目前研究者很难检测到基因组结构上的变化,比如重复模式、基因片段的插入或缺失,正是这种结构信息可能会对于后期研究者开发癌症疗法有效。至少从理论上来讲,有一种更为有效的方法来读取DNA序列,光学标测(optical mapping)技术就能够胜任这项工作,其能够为长达100万个碱基对的DNA分子序列提供一个粗略的“指纹”,这比DNA测序的短读取长度要唱的多,而且还避免了DNA测序所需要的扩增步骤。

  这种长片段就能使得检测结构变化成为可能,这些结构变化从几千碱基对到几百个碱基对不等,通过DNA测序就能够检测到较小的改变。因此,测序和图谱绘制的方式是互补的,从原则上来讲,DNA分子能被进行光学图谱绘制和测序;

  在单细胞水平上对基因组进行测序或能帮助研究人员开发出有效且个性化的癌症疗法,但正如研究者在上面提到的那样,使用目前的测序技术对单一细胞的DNA进行测序需要更高的要求。研究人员也首次证实了光学标测技术能够检测单一细胞DNA分子中大规模的遗传变异,而且不需要DNA测序方法所要求的扩增步骤。

  样品的制备是在一个单用途的实验用芯片设备上完成的,研究者能从单一细胞开始完成所有有用的基因组数据,这种设备减少了昂贵化学品的使用,同时也将污染风险降到了低。目前这项研究工作尚处于研究阶段,目前研究者所面临的挑战就是增加通量,这样他们就能一次性对更多DNA分子进行分析,从而绘制出单个细胞的所有DNA图谱。

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