科学家终于破译了影响疾病的隐藏基因密码

EMBL的研究人员及其合作者研发出一种将单细胞分析提升至新水平的工具。该工具能捕获同一细胞内的基因组变异与RNA，其准确性和可扩展性均优于早期技术。这种方法使科学家能够识别DNA非编码区域的变异——这些区域最常与疾病相关，为他们探索遗传差异如何影响人类健康提供了新途径。凭借其高精度和处理大量细胞的能力，该工具标志着在将特定遗传变异与疾病结果关联方面迈出了重要一步。

“这是一个长期存在的问题，因为目前在同一细胞中研究DNA和RNA的单细胞方法吞吐量有限、灵敏度不足且操作复杂，” Dominik Lindenhofer表示。他是发表在《自然-方法》（Nature Methods）上关于SDR-Seq新论文的第一作者，同时也是EMBL斯坦梅茨小组的博士后研究员。“在单细胞水平上，你可以读取数千个细胞中的变异，但前提是这些变异已被表达——也就是只能来自编码区域。而我们的工具无论变异位于何处都能发挥作用，产生的单细胞数据量足以对复杂样本进行分析。”

DNA包含编码区和非编码区。编码区的作用类似操作手册，其基因会被表达为RNA，进而指导细胞合成生命必需的蛋白质。而非编码区则含有指导细胞生长和功能的调控元件。超过95%的疾病相关DNA变异发生在这些非编码区，但现有单细胞方法缺乏有效研究它们所需的灵敏度和规模。此前，研究人员无法大规模观察同一细胞中的DNA和RNA，这限制了对DNA变异如何影响基因活性并促成疾病的深入理解。

“在这个非编码区域中，我们知道存在与先天性心脏病、自闭症和精神分裂症等疾病相关的变异，这些变异尚未得到充分探索，但这类疾病远不止这些，” Lindenhofer说。“我们需要一种工具来进行这种探索，以了解哪些变异在其内源基因组背景下具有功能，并弄清楚它们如何促进疾病进展。”

为进行单细胞DNA-RNA测序（SDR-seq），研究人员使用了微小的油水液滴，每个液滴包含一个单细胞，从而能够同时分析DNA和RNA。这种方法使他们能在一次实验中检测数千个细胞，并直接将遗传变化与基因活性模式关联起来。开发这项技术需要克服重大挑战，EMBL的基因组生物学、结构与计算生物学部门、斯坦福大学医学院以及海德堡大学医院的团队共同参与了此项研究。

EMBL的Judith Zaugg和Kyung-Min Noh小组的合作者开发了通过“固定”细胞来保存脆弱RNA的方法，而Oliver Stegle小组的计算生物学家则设计了专门的程序，用于破译数据分析所需的复杂DNA条形码系统。尽管这款解码软件是为该特定项目开发的，但研究团队认为它可能对许多其他研究也有价值。

EMBL和海德堡大学医院的Wolfgang Huber与Sasha Dietrich小组的研究人员已在其他研究中检查B细胞淋巴瘤样本。这些富含遗传变异的患者样本为这项新技术提供了理想的测试案例。通过这些样本，Lindenhofer观察到DNA变异如何与疾病过程相关联，并发现具有更多变异的癌细胞显示出更强的支持肿瘤生长的激活信号。

“我们利用这些小型反应室来读取同一个单细胞中的DNA和RNA，” Lindenhofer说。“这使我们能够准确判断变异是位于基因的一个拷贝还是两个拷贝上，并在同一个单细胞中测量其对基因表达的影响。在B细胞淋巴瘤细胞中，我们能够证明，根据细胞的变异组成，它们倾向于处于不同的细胞状态。我们还发现，细胞中变异的增加实际上与更恶性的B细胞淋巴瘤状态相关。”

SDR-seq工具为基因组生物学家提供了规模、精度和速度，有助于更好地理解遗传变异。虽然它最终可能在治疗多种复杂疾病中发挥作用，但首先可能有助于开发更好的诊断筛查工具。

“我们拥有了一种能将变异与疾病关联起来的工具，”该论文的资深作者、EMBL小组负责人、斯坦福大学医学院遗传学教授Lars Steinmetz说。“这种能力为我们打开了广阔的生物学探索空间。如果我们能弄清楚变异实际上如何调控疾病并更好地理解疾病过程，这意味着我们有更好的机会进行干预和治疗。”