取兩個癌細(xì)胞并比較它們的基因組。令人驚訝的是，它們可能完全不同。這種遺傳變異是癌癥的標(biāo)志之一，也是治療癌癥的一個原因。

　　如果腫瘤由具有許多不同基因組的細(xì)胞組成，則單一藥物可能不會全部殺死它們。但了解遺傳變異可以幫助臨床醫(yī)生開發(fā)針對性的治療方法。

　　“作為我們研究的一部分，我們將一個癌細(xì)胞困在塑料裝置上(見圖)，提取其DNA，并生成其序列的粗粒圖。我們的研究結(jié)果發(fā)表在‘美國國家科學(xué)院院刊’(PNAS)上。”

　　來自單個細(xì)胞的DNA的光學(xué)作圖

　　我們使用了一種稱為光學(xué)映射的技術(shù)，它提供有關(guān)基因組的大規(guī)模信息。它的工作方式就像一幅森林，湖泊和山脈的世界地圖，但沒有像道路，房屋和小城市那樣的細(xì)節(jié)。

　　通過比較單個細(xì)胞的光學(xué)圖譜和普通人類細(xì)胞的參考圖譜，我們可以確定它們之間的差異。該信息可揭示腫瘤內(nèi)的基因組異質(zhì)性，甚至可指示細(xì)胞如何發(fā)展成腫瘤。

　　來自單個細(xì)胞的DNA的光學(xué)映射包括四個步驟：

　　首先，我們捕獲細(xì)胞并提取其DNA的長片段。

　　然后我們用熒光染料染色DNA片段。

　　然后我們加熱DNA分子：根據(jù)DNA序列的不同，這種染料在某些地方比其他地方粘得更好。這會在分子上留下類似條形碼的圖案。

　　最后，我們在顯微鏡下對分子進(jìn)行拉伸和成像，以讀取“條形碼”。

　　我們開發(fā)了一種低成本的塑料設(shè)備，集成了所有四個步驟。步驟如下圖所示。

　　圖片描述：將人體細(xì)胞加載到一次性塑料裝置上。捕獲單個細(xì)胞，提取其DNA并用熒光染料染色。然后加熱DNA以產(chǎn)生“條形碼”，即取決于其特定DNA序列的熒光模式。拉伸單個DNA片段，并對它們的條形碼進(jìn)行成像和分析。與參考基因組的比較顯示DNA來自的特定細(xì)胞的遺傳變化。

　　“條形碼”就像指紋一樣：它識別DNA分子與參考基因組的哪個部分密切相關(guān)。它甚至可以揭示成像DNA分子和參考基因組之間的差異。

　　測序與光學(xué)映射

　　那么為什么要使用光學(xué)映射而不僅僅是通常的DNA測序呢?常規(guī)DNA測序方法的優(yōu)點(diǎn)在于它們具有單堿基對分辨率，這意味著可以鑒定DNA分子中的每個堿基對。如果有足夠的材料，研究人員可以在幾天內(nèi)從人類細(xì)胞(大約60億個堿基)中對整個基因組進(jìn)行測序。但是對人類基因組的單個拷貝進(jìn)行測序具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)我們從單個細(xì)胞開始時，這就是我們所擁有的一切。

　　其中一個挑戰(zhàn)是通常的DNA測序方法需要多個基因組拷貝。由于每個細(xì)胞中只有一個基因組拷貝，第一步是多次復(fù)制基因組。這稱為DNA擴(kuò)增，是常規(guī)化學(xué)。但偶爾會出現(xiàn)復(fù)制錯誤，這會使結(jié)果模糊不清。

　　另一個挑戰(zhàn)是DNA分子的每個拷貝被隨機(jī)切成較小的片段，只有幾百堿基對。然后對這些碎片進(jìn)行測序。然后通過匹配部分重疊的讀數(shù)將結(jié)果(所謂的“讀數(shù)”)組裝成完整的基因組。

　　檢測結(jié)構(gòu)變化也是非常困難的，例如重復(fù)模式或插入/缺失的基因組元件長于幾百堿基對讀長度。但正是這種類型的結(jié)構(gòu)信息可能對癌癥治療的選擇有用。

　　至少在理論上，有一種更明顯和有效的方法來讀取DNA序列�；�因組編碼在48個DNA分子上，長度為2納米，長達(dá)8厘米。那么，為什么不從一端到另一端讀取DNA序列呢?

　　光學(xué)映射幾乎可以做到這一點(diǎn)：它提供了長達(dá)100萬堿基對的DNA分子基礎(chǔ)DNA序列的粗略“指紋”。這比DNA測序的短讀長度長得多。并且光學(xué)映射還避免了DNA測序所需的擴(kuò)增步驟。

　　長片段可以檢測從幾千堿基對到幾百千堿基對的結(jié)構(gòu)變異。可以通過DNA測序檢測較小的變異。

　　所以這兩種方法(測序和制圖)是互補(bǔ)的。原則上，相同的DNA分子可以進(jìn)行光學(xué)定位，然后進(jìn)行測序。

　　邁向更有效和個性化的癌癥治療

　　在單細(xì)胞水平上對基因組進(jìn)行測序的能力可以導(dǎo)致更有效和個性化的癌癥治療。但正如我們上面解釋的那樣，使用當(dāng)前的測序技術(shù)仍然需要對來自單細(xì)胞的DNA進(jìn)行測序。

　　我們首次證明光學(xué)映射可以檢測取自單個細(xì)胞的DNA分子中的大規(guī)模遺傳變異。我們這樣做沒有DNA測序方法所需的擴(kuò)增步驟。

　　樣品制備完全在一次性芯片實驗室設(shè)備上完成，從單個細(xì)胞開始，并用有用的基因組學(xué)數(shù)據(jù)完成。這是我們工作的一個重要技術(shù)方面，因為該設(shè)備減少了昂貴的化學(xué)品的使用并最大限度地降低了污染的風(fēng)險。

　　需要說明的是，我們的工作仍處于研究階段。我們的設(shè)備尚未準(zhǔn)備好在醫(yī)院中使用，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是提高吞吐量，因此我們可以一次分析更多的DNA分子。目標(biāo)是從單個細(xì)胞中繪制所有DNA。