單細胞基因組測序

單細胞基因組測序是在單細胞水平對全基因組進行擴增與測序的一項新技術。其原理是將分離的單個細胞的微量全基因組DNA進行擴增，獲得高覆蓋率的完整的基因組之后進行高通量測序，用于揭示細胞群體差異和細胞進化關系。全基因組測序的應用范圍涉及臨床醫(yī)藥研究、群體遺傳學研究、關聯分析、進化分析等眾多領域。

1、實驗方案

   測序策略：Illumina HiSeq X  PE 150

   數據量：推薦30~50×測序深度

2、技術優(yōu)勢

（1） 多種變異檢測：單核苷酸多態(tài)性（SNP）、插入缺失（InDel）和結構變異（SV）；

（2） 與芯片方法比較，可以檢測到新的變異序列；

（3）與人類全基因組從頭測序相比，耗時更短、成本更低。

3、數據分析

3.1 標準信息分析

（1）按標準流程進行數據整理及數據質量評估；

（2）與參考基因組比對；

（3）SNP的檢測及其在基因組的分布；

（4）InDel的檢測及其在基因組的分布；

（5）CNV的檢測及其在基因組的分布；

（6）包含變異基因的功能注釋（GO注釋、Pathway注釋）。

 3.2 高級信息分析（腫瘤基因組學）

（1）癌基因/抑癌基因/易感基因篩查；

（2）高頻突變基因統(tǒng)計及通路富集分析；

（3）NMF突變特征及突變頻率分析；

（4）NovoDriver已知驅動基因篩選；

（5）基因組變異Circos圖展示。

4、技術流程

       5、案例分析

       案例（1） 單細胞基因組測序解構正常成人大腦的單個神經元突變

       來自霍華德休斯醫(yī)學研究所的（HHMI）的研究人員從三位去世的成人捐贈的健康大腦中分離出了36個神經元并測序了它們的基因組。為了進行比較，科學家們還從每個個體的心臟中分離出了細胞進行DNA測序。他們發(fā)現每個神經元的基因組都是獨特的。每個神經元都有1000多個點突變，只有少數突變出現在一個以上的細胞中。盡管神經元中的大多數突變是獨特的，一小部分出現在了多個細胞中。這表明了這些突變起源于腦細胞仍在分裂之時——這一過程在出生前便完成。這些早期突變隨細胞分裂和遷移傳遞下去，科學家們能夠利用它們來重建部分大腦發(fā)育史。

圖1 腦中體細胞SNV位點與神經系統(tǒng)功能和疾病相關

       案例（2） 一種新的單細胞基因組測序方法-組合索引測序

       單細胞基因組測序對檢測體細胞突變是很有效的手段，特別是在腫瘤進化的背景下。因當前建庫成本較高，限制了可被評估的細胞數目，從而限制了組織異質性的檢測。該研究開發(fā)了單細胞組合索引測序（SCI-seq），該方法可同時產生數千個低通的單細胞文庫以檢測體細胞拷貝數變異。研究人員從培養(yǎng)的細胞系、靈長類動物前額皮質組織和兩個人腺癌樣本中構建了16698個單細胞文庫，并詳細評估了胰腺腫瘤的亞克隆變異。

圖1 恒河猴腦中的體細胞CNV

參考文獻

[1] Lodato et al. Somatic mutation in single human neurons tracks developmental and transcriptional history. Science, 2015.

[2] Vitak et al. Sequencing thousands of single-cell genomes with combinatorial indexing. Nature Methods, 2017.