单细胞基因组学：通往个体化医疗之门

　　随着第二代测序技术的普及，单细胞测序迎来了迅猛发展。

　　近日，南方科技大学生物学系副教授贺建奎在美国冷泉港参加了单细胞分析会议后，在科学网博客里写道：“这是一个非常令人激动的前沿学术会议，我深深地体会到了单细胞基因组学时代的来临。”

　　他对《中国科学报》表示：“单细胞基因测序技术的突破，只是开了一个很小的‘口’，‘口’的另外一边，就是一个非常漂亮的世界。”他说，单细胞基因组学研究的强劲势头，昭示着人类正逐步迈进个体化医疗时代。

　　更重要的是，测序技术的发展使基因测序民用成为大势所趋，个人DNA测序咨询服务即是一例。美国路易斯维尔大学研究员徐鑫认为，基于个人基因组DNA信息的健康评估有潜在市场，有可能发展成为一个新兴的庞大产业。

　　高通量测序的推力

　　“单细胞测序，就好像从太平洋里钓一条小鱼。这在以前是不可想象的，而现在我们技术上已经实现了单细胞测序，可以做很多以前不敢想象的事情。”贺建奎表示。

　　耶鲁大学一篇发表在《遗传》杂志上的文章指出，单细胞基因组学研究，致力于从最小量的样品（终极目标是单细胞）获得全基因组的最大信息，即在全基因组范围内鉴定在不同水平上影响生命活动的基因群的功能和相互作用。在只有或只能用单细胞或极少量细胞的情况下，单细胞测序技术将一展身手。

　　贺建奎介绍说：“高通量测序技术的发展，使单个基因组测序价格降到5000美元。”

　　单细胞测序在技术上实现突破，应归功于高通量测序技术。“新一代基因分析平台Ion Torrent巴掌大小的芯片上就有上千万个测序微孔”，据深圳华因康基因科技有限公司研发部负责人金虹介绍，类似于半导体集成芯片，高通量测序芯片的密度非常高，这样就能实现一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定，效率非常高。

　　微流控技术帮了单细胞测序一个大忙——减少甚至避免基因污染。贺建奎说，微流控平台提供了一个适于单细胞基因扩增、与反应物充分接触、基因测序的“微试管”，可以降低单细胞测序的噪声。

　　他打了个很有意思的比方：“就好像我们把小鱼从太平洋赶到小池塘，只需要很少的鱼钩（反应物）就能把它抓到，而且大大减少了‘误捕’的机会。”

　　徐鑫认为，基因测序日益便捷，成本不断下降，研究人员都在努力向1000美元即可实现测序单个人基因组的目标迈进，因此基因组DNA测序有可能逐步发展为民用。

　　目前我国在高通量测序技术上不甘落后。金虹表示，开展研发具有自主知识产权的高通量测序技术，对于我国在这一新兴领域的发展具有重要意义，尽管这个过程可能漫长而艰辛。

　　基因病变的曙光

　　测序技术目前已在癌症的诊疗中崭露头角。金虹指出，目前基因测序技术已经在癌症的诊疗中发挥作用，尤其是在靶向药物作用靶点的基因表达水平的检测，能给癌症患者实质性的帮助。

　　“然而，基因测序作为一种工具，目前在民用方面的受惠面还很窄，远远没有发挥它的作用，现阶段主要的用途还是在科研方面。”金虹话锋一转，说：“不过我们有理由相信，基因测序将会越来越多地向临床应用方向发展。”

　　据了解，癌症基因组的最新研究进展表明，癌症本身是一种多基因相互作用和影响的疾病，这正是癌症难以治愈的原因。而了解癌细胞如何在肿瘤内变化以及每个细胞内“定居”着多少版本的基因，这将有助于癌症诊断。

　　“肿瘤的演化过程是复杂的。”贺建奎认为，单细胞基因组学的研究，使人们能够认识癌细胞进化过程的更多细节，“比如我们有望通过研究从血液中分离出来的单个游离癌细胞，实现癌症的超早期诊断和治疗的实时监测。”他说，借此了解癌症的形成、扩散，可以为癌症的治疗提供更多的借鉴。

　　例如，近日深圳华大基因的研究人员揭示了癌症并非由常见的突变基因导致，在病人群体中所鉴定的频发突变可能与肿瘤个体无关。因此，在癌症分析和诊断过程中进行个性化治疗十分重要。

　　不仅对癌症，许多基因病变也可为鉴。贺建奎说，单细胞基因组学的一个功能就是揭示基因病变的根本原因，解开基因治疗的密码，对不同患者对症下药。

　　2012年，美国科学院院士谢晓亮课题组与北京大学生物动态光学成像中心研究员李瑞强课题组等合作，首次实现了高覆盖度的单个精子的全基因组测序。谢晓亮表示，这项工作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。

　　重新审视生命

　　“尽管单细胞基因组学前景广阔，但并不意味着我们要改造生命。”贺建奎说，“帮助人们更深刻地观察、重新审视生命的奥秘，是单细胞基因组学研究的要义。”

　　一直以来，人体干细胞都被认为是单向地从不成熟细胞发展为专门的成熟细胞，生长过程不可逆转。

　　而2012年诺贝尔生理学或医学奖获得者，日本科学家山中伸弥和英国发育生物学家约翰·戈登关于细胞核重编程的研究，彻底改变了人们对细胞和器官生长的理解：他们发现，成熟的、专门的细胞可以重新编程，成为未成熟的细胞，并进而发育成人体的所有组织。

　　贺建奎认为，通过单细胞测序技术对每个细胞的测序，对比细胞间的差异，就有可能有新的发现，诸如“为什么有的干细胞发育成了心脏，有的发育成了手足？”此类命题，单细胞基因组学可能会给出不同的答案。

　　“我们通过对人体不同部位的单细胞的测序和基因比对，就有可能解开发育之谜。”贺建奎说，单细胞基因测序将取代基因组测序的平均法则，“对于每一种疾病，也可以从单个细胞的水平重新认识，从而揭示病变的根本原因。”

　　《自然》杂志网站这样评价单细胞基因组学：测序技术的飞速发展和成本大大降低，使得基因组测序成为常规技术。然而，大多数的人类基因组、癌症等研究仍然通过多个细胞抽提DNA进行测序，其中所忽略的细胞间的差异对于控制基因表达、细胞行为和药物反应的问题却有可能是至关重要的。单细胞测序有望成为个体化医疗的重点领域。