【33】从人类细胞图谱计划(Human Cell Atlas)谈单细胞基因测序

汉靓的医药科技前沿 2022-03-30 06:16:29


大家好,这里是汉靓的医药科技前沿的第33期。我相信多数人对于从1990年到2003年的人类基因组计划(Human Genome Project)记忆犹新,在这项耗时13年的巨大工程中,来自全球六个国家20多个科研机构的科学家齐心协力,共同绘制出人类的全基因组图谱,为精准医学的推进打下了坚实的基础。2016年10月,科学家们提出一项更具有挑战的项目:人类细胞图谱计划(Human Cell Atlas Project),旨在完成人体内37万亿个细胞的图谱构建。


在今年三月份刚刚结束的全球细胞图谱年度会议中,科研人员展示了最新进展,包括已完成对25万个人体发育细胞的测序和初步分析。这项宏伟目标背后的重要推动力就是单细胞基因测序技术突飞猛进的进步,所以,本期的节目将和大家讨论人类细胞图谱计划以及单细胞基因测序技术的发展和应用。


第一部分:人类细胞图谱计划介绍

 

2016年10月,一群世界领先的科学家汇聚伦敦,讨论如何构建人类细胞图谱。细胞是人类生命的基础单位,人体内一共有37万亿个细胞,但我们对于细胞的了解非常少,在过去的研究中,通常是对多个细胞的基因进行分析,而忽略了细胞之间的差异。其实,细胞在人体内区别很大,不同的细胞表达着不同基因。如果有一个详细的细胞地图,展示具体细胞类型、在体内的位置,以及遗传信息,将极大地帮助科学家们了解人体内的生物学网络,各项生理活动以及疾病的发生和发展过程。

 

仅仅在一年之后,2017年10月,细胞图谱计划的首份白皮书已经被制定出来,在这份长达100多页的白皮书中,包含了项目的第一阶段实施计划,其背后的支持资金包括了多个政府和慈善基金,美国国立卫生研究院,以及Chan-Zuckerberg Initiative等。

 

在今年三月份刚刚结束的全球细胞图谱年度会议中,部分研究成果已被展示并且进行了讨论,其中就包括了我们开篇提到的已对25万个细胞完成单细胞测序和初步分析,详细的会议内容之后会披露在Youtube上。根据目前媒体的报道,这25万个细胞来自捐赠的人体组织,包括肝脏,皮肤,肾脏以及胎盘,目的在于理解人体发育中的重要过程。

 

人类细胞图谱计划在以前是根本无法想象,而现在得以推进,最重要的因素之一就是单细胞基因测序技术的巨大进步,第二部分,我将和大家详细讨论该技术。

 

第二部分:单细胞基因测序:单细胞提取-全基因组/转录组扩增-测序和分析

 

单细胞测序(Single-cell Sequencing),简单的说包括三个步骤:分别是单细胞提取(Single Cell Isolation),全基因组扩增(WGA,whole genome amplification)或者全转录组扩增(WTA,whole transcriptome amplification),最后就是测序和分析,虽然步骤并不复杂,但是无论是单细胞提取还是基因组或者转录组的扩增都充满挑战。


图1:单细胞测序的步骤

 

                           

资料来源:Exploring viral infection using single-cell sequencing

 

第一步单细胞提取的四种常见方法包括:显微操纵(micromanipulation),LCM(激光捕获显微切割),荧光激活细胞分选术(FACS)以及微流控。当然这四种技术在准确性,可操作性,通量、重复性等方面各有优劣,这里先不展开说了。

 

第二步全基因组扩增或者全转录组扩增过程,这也是单细胞测序中最关键和难度最大的一个环节,分别是指对DNA进行扩增,或者是对提取的mRNA逆转录成cDNA,然后再进行扩增。由于单细胞内mRNA的拷贝数远多于DNA,全基因组扩增的难度也相应高很多。

 

全基因组扩增技术:常见的方法包括简并寡核苷酸引物PCR(DOP-PCR),多重置换扩增(MDA),以及基于多次退火环状循环的扩增(MALBAC)等等。而常见的全转录组扩增技术包括传统的PCR,改进的PCR,基于T7 RNA 聚合酶的体外转录扩增等等。基因组/转录组扩增后,就可以进行后续的测序和分析的流程了。

 

以上简单和大家描述了单细胞基因测序的流程,那么在单细胞测序目前的应用情况又如何呢?

 

第三部分:单细胞测序的下游应用和代表公司

 

其实早在人类细胞图谱计划提出之前,科学家们已经开始尝试把单细胞测序技术应用到多个下游领域,其中为代表的主要有三个:分别是癌症、辅助生殖以及免疫学。

 

1)首先我们看一下癌症领域:

 

癌症治疗的一个重要挑战在于癌症的异质性,解释一下,异质性是指癌症细胞内常由多个不同的亚群构成,这些亚群的分子生物学特征不尽相同,从而导致了癌症治疗的复杂性,而单细胞基因测序可以通过在单个细胞层面对癌症细胞进行分类和分析,从而找出不同的亚群,有助于后续的精准治疗。

 

基因测序龙头Illumina在官网中就指出:单细胞测序对于癌症的发生、发展、转移等机理研究有着革命性的意义,助力癌症诊断和治疗。在2016年1月份美国召开的JPM会议中,Illumina宣布和Bio-Rad Laboratories合作,推出一站式的高通量单细胞测序解决方案。

 

2)单细胞测序在辅助生殖领域的应用

 

IVF(体外受精)是帮助生命个体从体外的单个细胞发育开始,因此单细胞测序技术在辅助生殖领域有着非常重要的作用。例如,亿康基因就是采用单细胞基因测序对卵细胞极体细胞进行胚胎植入前筛查和诊断(PGS/PGD),从而筛选出健康的胚胎进行移植。

 

3)免疫学领域的应用

 

说到单细胞测序在免疫学领域的应用,就要提到在2016年初肿瘤免疫领先公司Juno以1.25亿美金的价格收购波士顿的一家初创单细胞测序公司AbVitro。AbVitro的领先技术就是在于对于单个T细胞和B细胞进行基因测序,从而帮助科学家们理解免疫系统的多样性。关于Juno收购AbVitro公司的情况,大家可以在网上搜索到我以前曾经写过的一篇行业深度报告《从Juno斥资亿元美金收购AbVitro看单细胞基因测序市场》(百度可以搜到)。

 

当然,除此之外,单细胞基因测序在神经科学、发育生物学等领域目前也有不少的研究成果,在这里先不一一展开。


最后总结一下本期的内容,本期和大家分享了人类细胞图谱计划的内容,最新的进展,该计划背后的单细胞基因测序技术,以及目前单细胞基因测序最常用的三个研究领域:肿瘤学,辅助生殖以及免疫学。最后感谢大家的收听/收看,这里是汉靓的医药科技前沿的第33期,我们下期再见!欢迎在喜马拉雅FM订阅《汉靓的医药科技前沿》!

如果您喜欢本期的节目,欢迎打赏(支持原创),也欢迎和我联系,微信号:huansha255285 

往期节目:

【1】以23andMe为代表的直接To C的基因检测公司:争议中前行

【2】Foundation Medicine和亿康基因:基因测序临床服务的先行者

【3】十年磨一剑,第一代EGFR-TKI易瑞沙的曲折上市过程

【4】美罗华等单抗进入国家医保,国产生物类似物何去何从

【5】康德乐剥离中国业务?且看美国医药流通巨头的成长之路

【6】本周股价大涨的Illumina,有何亮眼的二季度表现?

【7】液态活检新秀Grail:肿瘤早筛的先行者

【8】不走寻常路的全球CRO龙头昆泰:重回美股&和IMS合并

【9】全球生物制剂CDMO龙头Lonza的成长之路&成长经验

【10】PARP抑制剂和PD-1/L1联用?且看BMS、默沙东、百济神州等

【11】医药CDMO并购活跃:赛默飞72亿美金收购Patheon

【12】PD-1单抗REGN2810(再生元/赛诺菲),第六个上市的PD-1/L1?

【13】合全药业:合并药明康德的制剂部门,从原料药到制剂的一站式服务

【14】Dupixent: 再生元/赛诺菲的潜在重磅药物,从湿疹到哮喘

【15】BMS如何加强在肿瘤免疫领域的布局?从近期收购IFM说起

【16】默沙东在肿瘤免疫领域的故事:从最近收购的Rigontec说起

【17】我看伴随诊断:从Foundation Medicine到艾德生物

【18】关于IDO抑制剂和PD-1/L1的联用:从Incyte公司说起

【19】从Illumina的三季报,看基因测序行业的发展趋势

【20】DNA甲基化在肿瘤领域的应用:基准、鹍远、Ribomed等

【21】CVS+PBM+医保公司Aetna?美国医疗体系的是是非非

【22】崛起的韩国生物药企之三星Bioepis,赫赛汀欧洲首仿获批

【23】崛起的韩国药企之Celltrion:全球领先的生物类似物公司

【24】Guardant:液体活检领先者,如何面对FMI和Grail的挑战?

【25】Denali:勇向帕金森、阿兹海默症等挑战的美国生物科技公司

【26】Spark vs Editas:传统的基因治疗VS基因编辑

【27】闪耀ASH会议的Bluebird:基因治疗、肿瘤免疫和基因编辑

【28】JPM带来惊喜的illumina:发布iSeq&携手竞争对手

【29】JAK抑制剂:前有辉瑞、Incyte,后有新基、吉列德、恒瑞等

【30】从Ignyta(被罗氏17亿美金收购)和Loxo,谈小分子广谱抗癌药

【31】从赛诺菲116亿美金收购的Bioverativ谈血友病疗法:短效、长效、基因治疗(上)

【32】从赛诺菲116亿美金收购的Bioverativ谈血友病疗法:短效、长效、基因治疗(下)