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侦查单细胞隐患全知道

2018-10-26 13:58:04

侦查单细胞 隐患全知道

原标题:侦查单细胞隐患全知道

一个普通的周末,北京大学生物学院的学术报告厅里,人群在门厅挤得水泄不通。座位不够,许多人只得站在后排。他们在听一项成果的讲座——2013年12月20日,国际着名学术期刊《细胞》杂志发布了世界上人类女性个人遗传谱图。这是新一代基因测序技术与医学临床研究结合的成果。

北京大学生物动态光学成像中心汤富酬研究组、谢晓亮研究组和北京大学第三医院乔杰研究组携手,在题为《单卵母细胞的基因测序》的论文中,应用单细胞高通量测序技术,首次详细描绘了人类单个卵子的基因组,并将这种新方法应用到人类体外辅助生殖中。

卵子本身的遗传缺陷,可能会导致胚胎在发育时候夭折。有了单细胞测序技术,在不孕不育症患者的卵子被用于胚胎移植之前,研究人员就能够通过分析卵子的两个极体细胞推断获得卵子本身的全部基因组信息,从而减少严重先天性遗传缺陷婴儿的出生。以前还从来没有人通过这条途径取得成功。

———面临挑战———

如何用单个细胞破译基因组

基因测序并不新鲜。通过对遗传物质进行测序,人们就能获得生物的基因图谱,并以此为基础破译生命密码。

10%—15%的育龄夫妇被不孕不育困扰,而35年来,试管婴儿是主要的解决方法。医学界认为,将基因测序用于辅助生殖,可以降低遗传风险,为育龄夫妇减轻困扰,也降低社会抚养负担。目前广泛应用在体外受精过程中的遗传分析技术,是通过从胚胎中分离出一个或几个细胞来确定胚胎的染色体数目或筛查特定的基因突变。

北大第三医院的妇产科主任乔杰认为,与全基因组测序分析方法相比,这些传统遗传分析方法得到的遗传信息量很有限,而且从正在发育的胚胎中取出一个细胞也有可能会影响胚胎的后续发育。

传统的基因测序方法,是将生物样本中的DNA物质用简单的化学办法分离出来,再用特定的化学物“剪裁”成短片段,然后从这些短片段的信息中推断出DNA长链的原貌。而测出来的DNA并非某个细胞的数据,而是几百万个细胞的共同特征。

测序需要的样品量不大,在人的舌头上轻轻一刮就够,但许多研究仍然收集不到这么多材料。举个例子,古生物化石里提取的活性物质,可能已经没几条完整的染色体了。

再比如,要测出用于试管婴儿的卵子有那些遗传缺陷,是否会在胚胎期遇到障碍,除了测卵子或者附属于它的极体细胞外,别无它法。

如果能用单个细胞就能测出一个人的基因组,就好办多了。然而无论是分析这些卵子附属结构(极体细胞)还是分析单个胚胎细胞,医生和研究者们都面临着一个严重的挑战,那就是如何从样品中获得足够多的用于遗传检测的DNA。

———一个细胞也够用———

“扩增”妙法用于卵细胞基因测序

要想分析一个单细胞的基因组,其遗传物质就必须被复制或者“扩增”。但是这个“扩增”过程是不完美的。基因组中某些区域可能比其他区域产生更多的拷贝,同时复制也有可能改变原始基因组序列信息。要将这种技术作为一个临床筛查和诊断的潜在工具,这两种错误都令人担忧。

近年来发展起来的若干“新一代基因测序技术”,在测序单细胞上也有困难。通用的办法,是用化学办法将一份DNA增殖为很多份,设法让复制过程均匀进行。2013年,《科学》杂志将单细胞测序列为值得关注六大领域的榜首。

MALBAC单细胞基因组高通量测序技术早是由着名华人科学家、哈佛大学教授谢晓亮发明的。这种“多次退火环状循环扩增技术”,极大减低了全基因组扩增产生的偏差和随机性,实现了从单一细胞开始的高保真的全基因组扩增。

“我们必须将犯错的可能性降到。”谢晓亮教授说。他用特殊的化学引物和工序,增强了DNA复制的准确性。尽管这种方法在扩增过程中也不可避免地引入了单核苷酸的改变,但谢晓亮的方法或者其改进版,仍然被寄望于推动整个测序领域的前进。

一年前,谢晓亮及其合作者用新的方法测定了单个精子的基因图谱,引起学界极大兴趣。现在,这种方法成功用到了卵子上。

———减少遗传疾病发生率———

测卵子“亲姊妹”能得知卵子缺陷

人类卵子的成熟过程中,两个包含有基因组拷贝的独立结构(极体细胞)被转移到卵子细胞的外缘,极体细胞是没什么用的副产品,附着在卵细胞上,很不显眼。它们能够被无创地分离出来,其DNA成分跟卵子一模一样,给基因测序提供了一个天然的来源。

在北京大学的研究中,通过对单个卵子全基因组进行高精度的分析,研究人员成功地对二倍体的人类基因组进行分型,确定了卵母细胞减数分裂中的同源重组位点,首次建立了人类女性的个人遗传图谱,并且对交叉互换干扰和染色单体干扰等遗传重组特点进行了全面的分析。

接下来,研究人员通过对每个卵子两个极体的基因组进行高精度的分析,研究人员能够准确地推断出卵子中基因组的完整性以及携带的遗传性致病基因的情况,从而选择出一个正常的,没有遗传缺陷的胚胎用于胚胎移植。

在这项研究中,遗传检测将告诉每位接受体外受精并且了解自己家族携带遗传缺陷的准妈妈,她的每一个卵子是否携带了这个已知的遗传缺陷。

乔杰教授说,那些在体外受精过程中已经失败了三次以上并且查不出原因的女性也可以参加这项试验。该试验将验证DNA测序技术结合基因组扩增技术,能在多高的精度上检测出可能导致疾病或者生育问题的基因组变化,例如单核苷酸变化以及更大的染色体结构或数目变化。

“单个卵母细胞测序技术有一个局限,”乔杰说,“就是只能用于检测女方家族的遗传疾病,因为它只检测卵子发育过程中附属结构的遗传物质,而非精子的遗传物质。要想检测来自男方的遗传疾病或新发突变,需要对受精后胚胎进行检测,本研究中对胚胎也进行了初步分析。”

每年约有11000对不孕不育夫妇在北医三院生殖中心接受体外受精治疗。“我们每年会遇到很多疑难病例,”乔杰说,“我们相信通过我们的努力能够进一步减少遗传疾病的发生率,提高正常妊娠率。”

“从理论上讲,如果这种方法能够很好地发挥作用,我们将能够将试管婴儿技术的成功率从30%提高到60%,甚至更高。”乔杰说。

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单细胞筛查全基因组的试管婴儿诞生

如今,通过对胚胎细胞的基因检测,医生可在胚胎移植入子宫前,选择染色体正常的胚胎,避免植入成功后因染色体原因导致胎儿发育异常造成引产,这样就能提高试管婴儿的成功率。而只用一个胚胎细胞的全基因组检测,去年也宣告成功。

英国牛津大学的科学家2013年7月初宣布,应用新一代基因测序技术进行全基因组筛查,一个体外受精发育的男婴在5月呱呱坠地,健康且正常。将在体外受精获得的胚胎细胞寄给牛津大学后,科学家从5天大的胚胎内提取的单个细胞内的数百万个DNA片段的遗传代码进行解码,查看这些胚胎是否存在染色体异常或缺失。随后,这对夫妇的医生将染色体数目正确的胚胎移入母亲的子宫内,这名婴儿得以诞生。

单细胞测序发现:同一个人的神经细胞各不相同

之前大家一直认为,一个人体内的每个细胞都有相同的遗传信息。然而2013年11月《科学》杂志的一篇文章推翻了这个教科书上的说法。

科学家从三位死者体内分离了一百个神经元,采用单细胞测序技术,发现41%的神经元拥有独特的“DNA拷贝数变种”,这表明这些神经元并不是来自于同一个亲本。确定一个人的不同神经元的基因组,只能采用单细胞基因组测序的方法。当科学家发现一个人的不同神经元DNA序列不一样时,感到非常惊异。

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稿源:人民

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