谱系测序：一种新的突变分析方法

　　“生物过程是动态的，要想彻底了解生物过程需要用动态测量手段来观察。” Yehuda Brody说到。他是麻省理工学院和哈佛大学(剑桥，MA)博莱尼实验室的一位三年级博士后研究员，近几年他一直从事单细胞基因表达动力学的可视化测量研究。现在，他专注于诱变过程动力学研究，他和同事已经开发出一种新的DNA测序方法，能够分析单细胞在生命周期里的突变积累过程。这种创新方法是Paul Blainey博士在SLAS2018报告的。

　　从我们出生的那一刻起，体细胞突变在我们的身体中就不断发生。大多数时候它们是无害的。但在人的一生中，它们会增加，并与许多年龄相关的疾病有关，包括神经变性、器官衰竭和癌症。据Brody说，科学家们长久以来研究了在功能基因组学中突变的影响，重点研究了突变的后果。这个领域已经得到长足的发展，人们已经开始探索突变诱变的起源：首先是什么机制引起突变，细胞是如何处理DNA中的损伤的。Brody说这是思维的一个重要转变。“通过观察突变的过程，而不仅仅是后果，我们可以专注于减少累积突变的数量，以防止它们和与它们相关的疾病。”

Yehuda Brody博士

　　确定突变原因的一种方法是研究它们的模式。Blainey认为，这些模式越精确，就越有可能溯源，找出突变的原因。正如他所解释的，这是一个非常复杂的过程：“DNA的损伤可能来自体外，也可能来自体内。例如，环境中可能有破坏性的化学物质，但是突变还是会自然地发生。此外，还有不同的DNA修复机制，它可以消除一些突变和进化选择，这使得基于功能效应的不同突变更丰富或更少。因为有这么多的事情发生在一起，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理解，来看清整个过程的全貌。”

Paul Blainey博士

　　单细胞基因组测序的常规方法，如微流体，具有高错误率和高成本缺陷，限制了它们的广泛使用。2016，对于这些复杂的系统，徐和他的同事发布了一个简单、稳定的替代方案。但是，尽管增加了可用性，当用于体细胞突变分析时，下一代测序(NGS)还是有它的局限性。

　　首先，体细胞突变是比较罕见的。据Blainey介绍，典型的预期速率约为10-11至10-8个碱基多态性(SNP)，每个碱基对应每一个细胞分裂，而NGS普遍的错误率约为10-5SNP每碱基对。简单地说，NGS不够精确，无法检测体细胞突变。

　　Brody指出，目前的方法的另一个局限是，当我们使用单细胞测序时，我们对细胞的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，以获得突变的一些上下文，并获得干净的定量和定性数据，以显示突变真正来自何处。”

　　更细致的观察

　　研究人员解释说，单细胞DNA的全基因组测序通常有两种方式：要么从一个细胞开始，就有一个基因组拷贝，放大，然后测序。要么把这个细胞扩增成一个群，然后对细胞群进行测序。

　　Blainey说，Brody的工作代表了超越这些传统方法来提高数据质量和获得时间信息的努力。他说：“这和其他人做的非常不同，你必须仔细观察，甚至把它看成是单细胞方法。”

　　这种新颖的方法从一个单一的创建细胞，允许生长几代的小群体开始。然后从种群中提取单个细胞并进行亚克隆，以产生代表原始种群中每一个谱系的细胞群。然后从亚克隆细胞的DNA测序。“然后，”Blainey说，“当我们进入数据集来调用新变体时，我们利用了样本之间的谱系关系的先验估计。因为我们知道细胞之间的关系，我们知道它的历史，我们可以取一个特定的细胞并追踪它，看看每一步在何处和何时发生变化。“布洛迪把它比作显微镜，观察单个细胞周期的特定时间点的突变。

　　潜在应用

　　Blainey认为，这种“谱系测序”不仅是基础诱变研究的基础工具，而且可能具有实际应用。他给出的一个例子是理解暴露于致癌物质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、细胞生物学和最终的癌症发生率之间作出定量和详细的联系。” Brody希望利用这种方法，“25年或30年后，我们可以开发降低突变率的疗法，预防癌症等与年龄有关的疾病。”

　　Blainey发现的另一个潜在应用是减少DNA损伤疗法如烷化剂、拓扑异构酶抑制剂和顺铂的有害作用。这些药物通过破坏肿瘤细胞DNA的速度比快速分裂的细胞更快修复细胞，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，所以它们的突变少，可以更容易地耐受治疗。真的可以吗?正如Blainey指出的，接受这种治疗的人通常会发展成继发性恶性肿瘤。“我不认为当你应用DNA损伤治疗方法时，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。我认为重要的是考虑这种疗法对未来癌症的风险。Brody的方法可以提供一个工具，以非常详细的方式研究突变的问题。”

　　这种观察诱变的方法有助于预测谁将受益于DNA损伤的化疗，通过应用遗传操作来观察特定的遗传背景对顺铂等药物的反应。根据Blainey的说法，“如果我们更清楚地知道，作为剂量的函数，你在给定的化疗中有多少突变，也许我们能找到一个你能获得很多疗效的甜点，但是你还没有达到最大的突变数量。”

　　找到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的能力在个体之间是不同的。“我们的方法可能有助于预测这一点。”Blainey说。

　　下一步是什么?

　　Brody认为潜在应用的其他领域包括体外受精、干细胞研究、其他与年龄有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的概念为这种类型的分析，希望通过了解效用，其他人会对应用该方法感兴趣。“我们不仅要展示如何做到这一点，而且要展示什么是可能的，并希望鼓励其他人开发更多的方法来使用它。”

　　Blainey同意上述说法。“一切都必须从某处开始。对于技术开发来说，你通常会从一个初步的想法开始，然后在很长一段时间内，会有很多进一步的改进，真正提高了一种新方法的性能和适用性。”