2014 年 1 月《自然-方法》（Nature Methods）上發(fā)表年度特別報(bào)道，將“單細(xì)胞測(cè)序”的應(yīng)用列為 2013 年度zui重要的方法學(xué)進(jìn)展。

近幾年來(lái)，基于單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的科學(xué)研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其成果有望為一些重要的醫(yī)學(xué)問(wèn)題提供新的解決方案。文章總結(jié)了 2013 年單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)對(duì)于人類(lèi)早期發(fā)育、癌癥以及神經(jīng)科學(xué)研究等幾個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用成果。文章特別指出，來(lái)自中國(guó)北京大學(xué)的一些研究團(tuán)隊(duì)在這方面完成了許多的工作，做出了突出的貢獻(xiàn)。

單細(xì)胞基因組擴(kuò)增新技術(shù)（MALBAC）zui早由哈佛大學(xué)化學(xué)及化學(xué)生物學(xué)系教授、北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心主任 謝曉亮（Xiaoliang Sunney Xie）發(fā)明，相關(guān)論文 2012 年發(fā)表于《科學(xué)》 （Science）雜志。該方法通過(guò)形成閉合環(huán)來(lái)抑制 DNA 片段被重復(fù)地復(fù)制，以保持 DNA 擴(kuò)增的均勻性，解決了傳統(tǒng)方法對(duì)單細(xì)胞基因組擴(kuò)增的強(qiáng)烈偏好性的問(wèn)題。這項(xiàng)突破在單個(gè)細(xì)胞水平實(shí)現(xiàn)了全基因組 93% 的高覆蓋率，同時(shí)也能準(zhǔn)確檢測(cè)單個(gè)腫瘤細(xì)胞中的染色體拷貝數(shù)異常。

2013 年是單細(xì)胞基因組學(xué)突飛猛進(jìn)的一年。由謝曉亮教授 2010 年創(chuàng)建的北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心（BIOPIC）在這一領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。 2013 年謝曉亮教授哈佛大學(xué)課題組與北京大學(xué) BIOPIC 李瑞強(qiáng)研究員小組合作，將 MALBAC 技術(shù)應(yīng)用于人類(lèi)單個(gè)精子基因組的測(cè)序研究中。他們對(duì)一個(gè)亞洲男性的 99 個(gè)精子進(jìn)行了單細(xì)胞全基因組 DNA 擴(kuò)增，并且利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)每個(gè)精子分別進(jìn)行了一倍深度的測(cè)序。這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高覆蓋度的單個(gè)精子的全基因組測(cè)序，構(gòu)建了高精度的男性個(gè)人遺傳圖譜，相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。（詳見(jiàn) Science：?jiǎn)渭?xì)胞全基因組測(cè)序研究精子重組規(guī)律和遺傳缺陷）

美國(guó)科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)教授 Stephen Quake 評(píng)價(jià)說(shuō)：“從 PCR 技術(shù)被發(fā)明的那天起，人們就在嘗試將其應(yīng)用于分析單個(gè)細(xì)胞的基因組和轉(zhuǎn)錄組，但是直到今天單細(xì)胞測(cè)序才開(kāi)始迅速發(fā)展。”

單細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)在癌癥研究中也開(kāi)始發(fā)揮重要的作用。 2013 年 12 月， BIOPIC 白凡研究員和謝曉亮教授團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院的王潔教授團(tuán)隊(duì)合作共同在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表文章，對(duì)于癌癥病人單個(gè)外周血循環(huán)腫瘤細(xì)胞 （CTC）的全基因組、外顯子組進(jìn)行了高通量測(cè)序，發(fā)現(xiàn)在某一類(lèi)肺癌患者的所有循環(huán)腫瘤細(xì)胞中存在著一種特定的基因拷貝數(shù)變異（CNV）模式，而不同癌種 CTC 細(xì)胞的基因組拷貝數(shù)變異模式不同，為癌癥的早期診斷提供了全新的契機(jī)。這也是上實(shí)現(xiàn)對(duì)外周血循環(huán)腫瘤細(xì)胞基因組的高通量測(cè)序，標(biāo)志著利用循環(huán)腫瘤 細(xì)胞基因組測(cè)序信息進(jìn)行腫瘤無(wú)創(chuàng)診斷時(shí)代的到來(lái)。（詳見(jiàn) PNAS：?jiǎn)渭?xì)胞測(cè)序技術(shù)應(yīng)用于癌癥無(wú)創(chuàng)診斷）

由于人類(lèi)早期胚胎中的細(xì)胞數(shù)目非常而且很難獲得，所以單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)無(wú)疑對(duì)早期胚胎發(fā)育研究有著*的重要意義。 2013 年 12 月，謝曉亮教授 BIOPIC 小組和湯富酬研究員小組以及北醫(yī)三院的喬杰教授小組共同在《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表文章，對(duì)人類(lèi)單個(gè)卵細(xì)胞進(jìn)行了高精度全基因組測(cè)序研究。該研究詳 細(xì)描繪了人類(lèi)單個(gè)卵子的基因組，建立了人類(lèi)女性的個(gè)人遺傳圖譜。這一工作可以有效地幫助接受輔助生殖的女性同時(shí)檢測(cè)并排除染色體數(shù)目異常的胚胎以及攜帶單 基因突變的胚胎，從而在大幅度提高輔助生殖成功率的同時(shí)、降低嚴(yán)重先天性遺傳缺陷嬰兒的出生率，提高人口素質(zhì)。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于 胚胎植入前遺傳學(xué)診斷的臨床試驗(yàn)中，獲益于這一技術(shù)的*個(gè)嬰兒將在 2014 年出生，為這一技術(shù)途徑的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了希望。（詳見(jiàn) Cell：北大學(xué)者發(fā)布突破性單細(xì)胞基因組檢測(cè)技術(shù)）

2013 年，湯富酬研究組、李瑞強(qiáng)研究組與北醫(yī)三院的喬杰教授合作，利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，分析了不同時(shí)期的人類(lèi)早期胚胎細(xì)胞的基因表達(dá)情況，這一研究發(fā)現(xiàn)了 兩千多個(gè)全新的可能參與早期胚胎基因表達(dá)調(diào)控的長(zhǎng)非編碼RNA。該項(xiàng)工作發(fā)表在《自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》雜志上。基因的表達(dá)模式與 DNA 的表觀修飾有著密切的關(guān)系，因此，單細(xì)胞的 DNA 甲基化組分析可以用于研究癌癥細(xì)胞的特異性機(jī)理，但是此前的標(biāo)準(zhǔn)方法只能做到同時(shí)分析 50-100 個(gè)細(xì)胞。而同樣也在 2013 年，湯富酬課題組成功實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞 DNA 甲基化組的測(cè)序分析。（詳見(jiàn) 北大湯富酬等人揭示人類(lèi)胚胎發(fā)育機(jī)制）

表觀遺傳學(xué)專(zhuān)家 Wolf Reik 對(duì)單細(xì)胞測(cè)序分析的意義做出了充分肯定，他表示：“我之前還不是單細(xì)胞團(tuán)隊(duì)中的一員，但是我很高興看到各個(gè)領(lǐng)域被單細(xì)胞技術(shù)推動(dòng)的如此之快，有了新的技術(shù)，我們將會(huì)解決更加激動(dòng)人心的生物學(xué)問(wèn)題”。

文章指出，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)仍然在快速發(fā)展過(guò)程中，相信不久的將來(lái)將出現(xiàn)新一代更好的技術(shù)。科學(xué)家們期待在新技術(shù)的推動(dòng)下，癌癥、生殖發(fā)育、神經(jīng)科學(xué)、免疫等領(lǐng)域能夠有所突破。

基于一批學(xué)者的共同努力，北京大學(xué)已經(jīng)走在了世界單細(xì)胞高通量測(cè)序領(lǐng)域的前沿，為生殖, 癌癥、醫(yī)療檢測(cè)研發(fā)等諸多領(lǐng)域的研究做出了突出貢獻(xiàn)，也受到了國(guó)內(nèi)外高水平科研期刊的贊譽(yù)。目前，北大團(tuán)隊(duì)仍然在這一領(lǐng)域繼續(xù)進(jìn)行深入的探索。

謝曉亮

北大長(zhǎng)江講座教授；哈佛化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系講席教授，美國(guó)科學(xué)院院士。主要研究方向：?jiǎn)畏肿庸庾V學(xué)、單分子酶學(xué)、分子相互作用、構(gòu)象動(dòng)態(tài)學(xué)及大分子的作用機(jī)理、活細(xì)胞的基因表達(dá)、非線性光學(xué)成像技術(shù)及其生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用