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卵细胞基因测序技术应用前景看好


　　基因是不是天定的宿命？现代生物学给了这个古老的命题一个否定的答案。2000年科学家们已经绘制完成了人类第一张基因组图谱。如今，“基因治疗，备份健康”已然成为前沿的消费动向，也预示着一个全新产业的崛起。比尔·盖茨曾经预言，“下一个世界首富将出自基因领域”。
　　基因组测序已经成为生物学领域最炙手可热的领域之一，对于疾病的预测具有十分重要的意义。近日，生命科学领域的世界权威学术杂志《细胞》发表了北京大学乔杰、谢晓亮、汤富酬科研团队的研究成果，通过“单细胞基因组扩增”的技术，在国际上率先完成了人类单个卵细胞的高精度全基因组测序。这项成果在临床上可以检测出遗传过程中来自母亲的遗传病，在其他产前诊断领域也有广泛的应用前景。
“酷炫”的单细胞基因测序技术
迄今为止，基因测序技术使用的材料都是数百万个甚至更多细胞的混合DNA样本，得到的结果只是一群细胞中信号的平均值，单独细胞的特性不容易监测，只存在于少数细胞中的突变基本上被掩藏。另一方面，早期发育的胚胎细胞等样本量稀少，不足以进行多细胞基因组测序。
　　因此，在单个细胞水平上对基因组进行测序十分必要。通过研究单个、完整细胞内的遗传物质，有望理解细胞发育的分子机制，还可应用于医疗领域，如了解癌细胞如何在肿瘤内变化，有助于癌症诊断。
　　北京大学生物动态光学成像中心主任、美国科学院院士、哈佛大学教授谢晓亮与他的研究团队在去年已经实现了单细胞全基因组扩增的技术性突破，并在2012年12月21日出版的美国《科学》杂志发表了题为《单细胞全基因组测序探索精子重组规律和遗传缺陷》的论文。这项工作首次实现了高覆盖度的单个精子全基因组测序，构建了迄今为止重组定位精度最高的个人遗传图谱，这一技术方法在男性不育症研究和肿瘤早期诊断及个体化治疗等生物医学领域有着广泛的应用前景。这一技术也是单个卵细胞全基因组测序的基础。
　　在美国佛罗里达召开的生物技术领域最有影响力的“全球基因组生物学与技术进展”（AG-BT）大会上，美国冷泉港实验室的GholsonLyon评价谢晓亮关于这一技术的报告是“本届大会上最有趣的学术报告，从技术的角度讲，非常酷”。
　　谢晓亮说，单细胞全基因组测序在未来生物医学研究中大有“用武之地”。他和汤富酬教授与北医三院的合作很快把这句话变成了现实。
　　把前沿测序技术应用于临床
北京大学第三医院院长乔杰说，她一直想深入了解卵母细胞成熟过程减数分裂的分子机制，但是囿于技术原因没有实现，谢晓亮教授的单细胞扩增测序技术的出现提供了很好的机会。在北京大学生物动态光学成像中心汤富酬教授引荐下，乔杰、汤富酬、谢晓亮以及他们研究团队骨干共同参与了这个项目，希望通过MALBAC单细胞基因组高通量测序技术，对单个卵母细胞全基因组进行高精度的分析。
　　在卵母细胞成熟过程中，会产生一个第一极体和一个第二极体作为卵细胞减数分裂的副产物，其中第一极体含有二倍体基因组信息，而第二极体含有单倍体基因组信息。通过对两个极体细胞进行高通量测序，就能够推算出卵细胞本身单倍体是否异常，从而监控早期胚胎是否健康。
　　在整个研究过程中，三个研究小组共同对课题进行设计、结果分析讨论，有效进行沟通交流。具体工作分工为，北京大学第三医院主要负责临床相关研究，包括卵母细胞获取、体外受精、单细胞显微分离及挑取等工作；汤富酬研究组主要负责样品处理、单细胞基因组的扩增及质量检测、高通量测序文库的建立等工作。谢晓亮研究组则通过技术手段，对高通量数据进行分析。
　　该研究团队合作起始于汤富酬教授和乔杰教授利用单细胞转录组测序方法研究胚胎发育的分子机制，合作过程不断的交流讨论，就有了后续一系列的研究。卵母细胞来源极其有限、非常珍贵，而谢晓亮教授的研发的单细胞扩增方式均匀并且覆盖率高，有助于深入研究卵母细胞成熟的分子机制。
　　减少遗传性疾病的发生
除了在基础研究中的重要意义，这项工作在临床上对遗传疾病的诊断和治疗也意义重大。这项技术用于胚胎遗传疾病的诊断，能减少母源性先天性遗传缺陷婴儿的出生。
　　通过对每个卵母细胞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母细胞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，减少母源性先天性遗传缺陷婴儿的出生。
　　在后续的临床研究中，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。通过遗传检测可以告诉接受体外受精并且了解自己家族携带遗传缺陷的准妈妈，她的每一个卵母细胞是否携带了这个已知的遗传缺陷。
　　目前，中国每年约有20万不孕不育夫妇奔走在“求子”的道路上，需要辅助生殖技术的帮助，但抱婴率并不理想。未来，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可以参加这项临床试验。
　　诚然，单个极体细胞测序技术也有局限。该技术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，这项研究对胚胎也进行了初步分析。
　　“我对这项技术仍然抱有很大期待，希望谢教授能继续改进完善、改进，为我们临床研究及临床应用提供更好的技术手段，我们更好地合作，为更多的患者服务。”乔杰满怀期待地说。
　　乔杰教授、谢晓亮教授、汤富酬研究员是该论著的共同责任作者，研究生侯宇、樊伟及北医三院闫丽盈博士为并列第一作者。该项研究得到了国家重点基础研究计划（973）、国家自然科学基金、北京市科学技术委员会前沿技术专项以及北京大学985-三期临床医院合作研究专项的支持。
　　目前，该团队仍在探索这项技术的应用潜力。（校报记者马荣真）