谱系测序:一种新的突变分析方法

[化学日报热点]“生物过程是动态的，需要动态测量来彻底观察生物过程。”耶胡达·布罗迪说道他是麻省理工学院和哈佛大学博莱伊实验室的三年级博士后研究员。近年来，他一直从事单细胞基因表达动力学的视觉测量。现在，他专注于突变过程的动力学。他和他的同事开发了一种新的DNA测序方法，可以分析生命周期中单个细胞的突变积累过程。保罗·布莱尼博士在2018年的第二语言习得研究中报道了这一创新方法从我们出生的那一刻起，我们的身体就发生了

个体细胞突变。大多数时候它们是无害的然而，它们在人类生活中增加，并与许多与年龄相关的疾病有关，包括神经退化、器官衰竭和癌症。布罗迪认为，科学家们长期以来一直在研究功能基因组学中突变的影响，重点是突变的后果。这个领域已经取得了巨大的进步。人们已经开始探索突变突变的起源:首先，什么机制导致突变以及细胞如何处理DNA损伤布罗迪说这是思维上的一个重要转变。“通过观察突变过程，而不仅仅是后果，我们可以集中精力减少累积突变的数量，以预防它们和它们相关的疾病“

耶胡达·布罗迪博士

确定突变原因的一种方法是研究它们的模式布莱尼认为，这些模型越精确，就越有可能追踪源头并找出突变的原因。正如他解释的那样，这是一个非常复杂的过程:“DNA损伤可能来自体外，也可能来自体内。”例如，环境中可能有破坏性的化学物质，但突变会自然发生。此外，还有不同的DNA修复机制，可以消除一些突变和进化选择，使基于不同突变的功能效果更丰富或更少因为有太多的事情同时发生，所以很难追溯。这需要对这些不同的生物和化学过程进行非常详细的分析和大量的了解，才能看到整个过程的全貌。“对

进行测序的常规方法保罗·布莱尼博士的

单细胞基因组，如微流体，具有高错误率和高成本缺陷，限制了它们的广泛应用2016年，徐和他的同事发布了一个简单而稳定的替代方案来替代这些复杂的系统。然而，尽管可用性增加，下一代测序(NGS)在用于体细胞突变分析时仍有其局限性。

首先，体细胞突变相对较少根据布莱尼的观点，典型的预期比率是大约10-11到10-8个碱基多态性(SNP)，每个碱基对应于每个细胞分裂，而NGS的一般错误率是大约10-5个SNP碱基对简而言之，NGS没有足够的准确性来检测体细胞突变。

Brody指出，当前方法的另一个局限性是，当我们使用单细胞测序时，我们对细胞相互作用和时间没有任何了解。“我们的目标是开发一种方法来观察突变发生的时间和地点，获得突变的一些背景，并获得清晰的定量和定性数据来显示突变的真正来源”

更详细的观察

研究人员解释说，通常有两种方法对单细胞DNA的整个基因组进行测序:或者从一个细胞开始，有一个基因组的拷贝，扩增和测序要么将该细胞扩增成群体，然后对该细胞群体进行测序。

布莱尼说，布罗迪的工作代表了一种超越这些传统方法的努力，以提高数据质量和获得时间信息他说:“这和其他人做的很不一样。你必须仔细观察，甚至把它当成一种单细胞方法。”“

这种新颖的方法始于单个细胞的产生，允许几代小群体的生长然后从群体中提取单个细胞并进行亚克隆以产生代表原始群体中每个谱系的细胞群体然后对亚克隆细胞的DNA进行测序“然后，”布莱尼说，“当我们输入数据集来调用新的变量时，我们使用样本之间谱系关系的先验估计因为我们知道细胞之间的关系，也知道它的历史，所以我们可以选取一个特定的细胞，跟踪它，看看每一步在哪里和什么时候发生变化。“布劳迪把它比作显微镜，观察单个细胞周期中特定点的突变

的潜在应用布莱尼认为，这种“谱系测序”不仅是基础诱变研究的基本工具，而且可能有实际应用。他举的一个例子是理解暴露于致癌物如环境化学物质或吸烟引起的突变生物学。“我们真的试图在这些致癌物、突变、细胞生物学和癌症的最终发病率之间建立定量和详细的联系布罗迪希望使用这种方法。“25或30年后，我们可以开发出降低突变率和预防癌症等年龄相关疾病的疗法。”

Blaney发现的另一个潜在应用是减少DNA损伤疗法的有害影响，如烷化剂、拓扑异构酶抑制剂和顺铂。这些药物通过破坏肿瘤细胞的DNA，比快速分裂细胞更快地修复细胞，并最终杀死细胞。由于正常细胞不能像肿瘤细胞那样快速复制，它们的突变较少，更容易耐受治疗。真的没事吗？正如布莱尼指出的，接受这种治疗的人通常会发展为继发性恶性肿瘤。“我不认为当你应用DNA损伤疗法时，你对病人正常细胞的突变负担有很好的理解，部分原因是缺乏分析它的工具我认为考虑这种疗法对未来癌症的风险是很重要的。布罗迪的方法可以提供一种工具来非常详细地研究突变。“

，一种诱变观察方法，有助于预测谁将受益于对DNA损伤的化疗，并通过基因操作观察特定遗传背景对药物如顺铂的反应。布莱尼说，“如果我们更清楚地知道在给定的化疗中你有多少突变作为剂量的函数，也许我们可以找到一种甜点，在那里你可以得到很多治疗效果，但是你还没有达到最大的突变数量。”“

寻找甜点可能需要个性化的方法麻省理工学院的研究人员已经表明，修复DNA的能力因人而异。“我们的方法可能有助于预测这一点”布莱尼说

下一步是什么？

Brody认为，其他潜在应用领域包括体外受精、干细胞研究、其他与年龄相关的疾病和环境暴露。他对未来的合作感到兴奋，但现在，他说，主要目标是分享他们对这类分析的概念，希望通过理解效用，其他人会对应用这种方法感兴趣。“我们不仅要展示如何做到这一点，还要展示什么是可能的，我们希望鼓励其他人开发更多的方法来使用它。“

布莱尔尼同意上述说法“一切都必须从某处开始对于技术开发，你通常从一个初步的想法开始，然后在很长一段时间内，会有许多进一步的改进，这将真正提高一个新方法的性能和适用性。“