新技术能使DNA测序的成本降低多少?

1977年,Sanger及其同事发明出最早的DNA测序技术,1990年开始的人类基因组计划催生了DNA测序技术的自动化.近10多年来,新一代测序技术得到了飞速的发展,测序速度及测序通量的巨大提升使得个人基因组的测序成本急剧下降,达到了1000美元一个全基因组的水平,从而使得DNA测序技术在生命科学研究领域以及临床医学上有着更广阔的应用前景.近来出现的第三代测序技术具有测序过程中无需PCR扩增而且产生非常长的测序片段的优势.尽管其测序的准确性只达到85%左右且成本高,但仍然显示出了较好的前景."精准医学"时代的来临将进一步促进DNA测序技术的革新,并使个人基因组测序成本进一步下降,有望使个人基因组测序成本进入百美元的时代.随着海量的测序数据的积累,如何有效地分析和解读这些测序数据面临着巨大的挑战,生物信息学在此过程中扮演着关键的角色.     

人类胚胎着床过程首次被解析

<正>一枚受精卵长成一个婴儿,需在发育的第7天左右着床才能存活,这期间的人胚胎细胞无法获取,难以解析。近日,我国研究团队利用人工授精后的受精卵进行了人类胚胎体外模拟着床生长。他们利用高精度单细胞多组学测序技术,首次对单细胞分辨率绘制的转录组和DNA甲基化组动态变化过程进行了重构,再现了人类胚胎着床过程,绘制出基因表达调控网络和DNA甲基化动态"全景图"。     

利用单细胞测序技术追踪胚胎发育中细胞的演变过程

单细胞测序技术的快速发展为生命科学的研究提供了重要的工具.本文重点介绍了将单细胞转录组测序技术和深度计算分析结合来展现脊椎动物胚胎发育过程的最新研究成果,评述了这些研究手段在发育生物学中的深远意义以及其重要的应用价值.     

固态纳米孔中DNA分子再捕捉的探测和分析

<正>基于纳米孔的单分子测控技术有望为实现廉价而快速的个体基因测序提供关键的物理基础.固态纳米孔因其与现代微加工技术兼容及可实现器件高度集成而尤其受到关注.然而,利用固体纳米孔实现单个DNA分子的测序目前仍有几个关键的困难需要克服.其一即为单个DNA分子在纳米孔中运动的控制.通过对单个DNA分子的再捕捉可以揭示其在纳米孔中的动力学特征,并且通过进一步发展该技术将有望在碱基分辨中显著提高信     

基于二次打断IPed DNA片段ChIP-Seq的模拟分析

ChIP-Seq是在全基因组水平上研究活体细胞中蛋白质和DNA相互作用谱的有效手段.近年来,随着高通量短序列DNA测序技术的快速发展,研究基于新一代DNA测序方法的ChIP-Seq分析算法已经成为热点之一.然而,目前报道的分析方法主要是基于对免疫共沉淀获得的DNA片段进行片段大小选择后的ChIP-Seq数据,也就是主要针对Solexa系统获得的数据进行分析的算法.SOLiD系统是目前测序通量最高的新一代DNA测序系统.在SOLiD系统的DNA测序文库制备过程中,采用对免疫共沉淀获得的DNA片段进行二次超声打断可以满足ePCR对序列长度的要求,因此SOLiD测序文库中的DNA测序片段较短.到目前为止,基于SOLiD系统测序特点的ChIP-Seq研究很少报道.本文旨在研究测序文库中DNA片段的长度对ChIP-Seq分析的影响.通过真实的ChIP-seq数据和模拟产生的ChIP-Seq数据,对目前3种主要的ChIP-Seq分析方法(CisGenome,SISSRs以及MACS)的特点进行研究.有报道表明来自Solexa系统的ChIP-Seq数据局部有明显的正负链双峰特征,而通过对真实的来自SOLiD系统的ChIP-Seq数据特征的挖掘,我们发现单个峰局部无明显的正负链双峰特征,并且峰的局部的序列分布大部分符合正态分布.基于这些特征,我们模拟了两个不同测序平台的ChIP-Seq实验.在控制了模拟实验的可比性后,我们发现当前基于Solexa文库制备方案的ChIP-Seq数据发展的算法,并不能有效地捕获来自SOLiD系统的ChIP-Seq数据特征.我们的研究还表明,误用ChIP-seq软件可能是导致部分SOLiD的ChIP-seq实验失败的原因.因此,需要开发一种新的基于二次打断IPedDNA片段的ChIP-Seq分析策略.     

人类细胞图谱计划进展述评

正《自然·方法》杂志多年来一直在关注和报道关于单细胞分析的方法,但是直至2018年4月HCA第一批研究数据集发表,人们才发现它推动了雄心勃勃的"人类细胞图谱计划(HCA)"的建立与不断发展。人类细胞图谱计划意在对人体的细胞类型进行作图。这项计划目前在很大程度上得益于单细胞RNA测序方法的驱动,已经得到了不同类型的图谱。分子作图可以产生某种细胞类型的转录本、     

DNA改组在腺相关病毒定向进化中的发展及其应用

DNA改组(DNA shuffling)是一种高通量的突变、筛选技术, 自1994年提出以来, 经过了几十年的发展, 其在DNA、酶和药物蛋白等的改造上都有突出的表现. 腺相关病毒(adeno- associated virus, AAV)是一种细小病毒, 由于其无致病性和能有效呈递基因而成为一种非常理想的基因表达载体. 但是AAV筛除存在一些不足, 如对某些重要靶细胞感染效率不高、存在机体的免疫反应等限制了其临床研究的进展. 应用DNA 改组技术对AAV的衣壳蛋白进行定向进化, 有望解决这些问题. 本文重点综述DNA改组在AAV衣壳定向进化上的技术发展和应用, 并结合本课题组在AAV衣壳DNA改组上的研究工作展开讨论.     

DNA改组在腺相关病毒定向进化中的发展及其应用

DNA改组(DNA shuffling)是一种高通量的突变、筛选技术,自1994年提出以来,经过了几十年的发展,其在DNA、酶和药物蛋白等的改造上都有突出的表现.腺相关病毒(adenoassociated virus,AAV)是一种细小病毒,由于其无致病性和能有效呈递基因而成为一种非常理想的基因表达载体.但是AAV筛除存在一些不足,如对某些重要靶细胞感染效率不高、存在机体的免疫反应等限制了其临床研究的进展.应用DNA改组技术对AAV的衣壳蛋白进行定向进化,有望解决这些问题.本文重点综述DNA改组在AAV衣壳定向进化上的技术发展和应用,并结合本课题组在AAV衣壳DNA改组上的研究工作展开讨论.     

基于原子力显微镜(AFM)的细胞黏弹特性测量与分析

细胞机械特性在细胞生理病理变化过程中起着重要指示作用,对其进行研究有助于了解生命活动奥秘以及疾病发生发展的内在机理.原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞机械特性研究提供了新的技术手段,给细胞力学及癌症等重大疾病带来了大量新的认识.然而现有AFM细胞机械特性探测主要集中在细胞弹性特性,对细胞黏弹特性进行的研究和分析还较为缺乏.本文基于AFM开展了细胞黏弹特性测量和分析研究.首先建立了基于AFM单细胞压痕技术的细胞黏弹特性探测方法,基于此实现了对6种不同类型细胞(包括贴壁细胞、悬浮细胞、正常细胞、癌细胞、细胞系和原代细胞等)黏弹特性(松弛时间)的测量与表征,随后对测量结果进行回归分析揭示出细胞1阶松弛时间和2阶松弛时间之间的关联.研究结果加深了人们对细胞黏弹特性的认识,为单细胞机械特性研究提供了新的思路.     

古代DNA 技术及其在家养动物驯化历史研究中的应用

家养动物始终伴随着人类文明的发生、发展, 其起源和驯化历史一直备受关注. 而在其 近万年的演化历史中, 家养和野生群体间可能发生基因互渗及替代, 因此基于现代物种DNA 信息进行的历史推断可能存在偏差. 近年来, 古代生物遗骸中的DNA (古代DNA)获取技术日 益成熟, 为这类研究开辟了新的途径. 本文总结了近年来古代DNA 技术研究进展, 点评了古 代生物遗骸DNA 的获取和鉴别方法、古代DNA 提取、扩增及测序技术的革新. 最后, 本文综 述了古代DNA 技术在猪、马、羊、狗等主要家养动物驯化历史研究中的应用进展, 为该技术 的进一步发展及应用提供有益的参考.     

癌症个体精准化诊治的挑战和癌细胞纳米生物力学研究的应用前景

中国癌症负担日益加重的今天,临床上急需可以实现癌症早诊早治的方法以及可以在癌症各阶段对患者预后进行精确评估的手段.目前的癌症诊断金标准——病理学诊断对预后的评估能力有限,难以满足临床个体化治疗的要求.即使使用二代测序等先进的基因分析技术,所得的信息也往往是间接和局部的,无法在单细胞水平上对癌细胞的生物学行为,尤其是侵袭或转移的能力进行准确的判断.得益于近年来纳米和微流控技术的发展,研究人员在少量的细胞与组织样品上即可进行细胞生物力学性质与肿瘤微环境的定量分析,进而预测癌细胞的侵袭转移能力,对患者的预后进行快速精准评估.同时,也有研究发现,通过检测肿瘤细胞的生物力学性质,可以评估肿瘤细胞的耐药性和治疗反应.为应对目前临床对肿瘤诊断与治疗的新要求,本文阐述了癌细胞生物力学的分子机制基础研究与其在癌症诊治中可能的应用与展望.     

哺乳动物早期胚胎第一次细胞谱系形成

哺乳动物早期胚胎发育过程中,全能的受精卵和早期卵裂球如何打破对称分裂并建立第一次细胞谱系,是发育生物学乃至生命科学研究最具挑战的科学问题之一.为研究哺乳动物第一次细胞谱系建立,早期研究提出过多种理论模型,但都不能很好地解释早期胚胎的可塑性.近年来,随着显微观察、生物数学、以及单细胞测序等技术的发展,人们认识到哺乳动物早期胚胎中,细胞内大分子的表达和分布、细胞的位置和极性,以及细胞间相互作用等多种因素,造成了同一个胚胎中的不同细胞差异显著,即早期胚胎的异质性.哺乳动物早期胚胎的异质性可能是其可塑的主要原因.哺乳动物早期胚胎中不对称分裂的打破和第一次细胞命运决定是一个高度动态和复杂的过程,需要新的技术和理论来阐述这一重要生命现象.     

酶的研究与生命科学(三):分子生物学酶的发现和应用

20世纪下半叶,分子生物学取得迅猛发展,分子生物学酶的发现和应用在其中发挥了巨大的推动作用。DNA聚合酶、RNA聚合酶、逆转录酶、限制性内切酶和端粒酶等的鉴定和功能阐明拓展了对许多生命现象的理解和认识。这些酶的应用还衍生出重组DNA、桑格酶法测序和聚合酶链式反应等技术,在基因操作、DNA测序和扩增等方面具有广泛应用。通过介绍分子生物学酶的研究历程展现了酶的发现和应用对当代生命科学研究仍有重要意义。     

DNA分子计算与DNA计算机的研究进展

生物分子计算与DNA计算机是计算机科学和分子生物学交叉产生的新兴领域. DNA计算机的特点是具有超强的并行运算能力和巨大的数据存储能力, 因而被认为有望解决电子计算机所面临的评价问题. 本文在介绍DNA计算机的基本概念基础上, 围绕DNA计算机的原理、计算模型和在多方面的应用等关键问题, 分析讨论了粘贴模型、剪接模型和等价检查模型等常用的DNA计算模型, 并对DNA计算机在NP问题、遗传分析与临床诊治、防伪和译码技术以及游戏与机器人等领域的研究进展和应用前景进行了探讨. 最后讨论了DNA计算机未来可能的发展方向.     

精氨酸修饰壳聚糖提高基因转染效率的研究

富精氨酸短肽由于其独特的内在化机理而受到了广泛的关注. 研究结果表明, 精氨酸和胍基能有效转运穿透细胞膜, 在细胞穿膜过程中扮演非常重要的角色. 本文将精氨酸接枝到壳聚糖上制备了一种新型的壳聚糖衍生物——精氨酸修饰的壳聚糖(Arg-CS), 并用复凝聚的方法制备了Arg-CS/DNA纳米复合物. 对Arg-CS及Arg-CS/DNA复合物的物理化学性质进行了表征, 并以HeLa细胞为宿主细胞研究了Arg-CS/DNA复合物的转染行为和效率. Arg-CS介导的荧光素酶质粒的表达较壳聚糖介导的荧光素酶的表达提高了大约100倍, 而MTT实验表明, Arg-CS及其与DNA复合物在整个实验浓度范围内细胞毒性均很小, Arg-CS有望成为一种高效、安全的壳聚糖基非病毒载体.     

DNA编码荧光实现细胞内RNA高通量成像

正单细胞RNA分析方法是单细胞生物学发展的基石.构建能够高通量获取细胞RNA表达水平、序列及空间分布等信息的单细胞RNA分析方法是目前单细胞分析领域面临的巨大挑战.近日,清华大学化学系李景虹课题组[1]在Chem上发表了题为"DNA-Sequence-encoded rolling circle amplicon for single-cell RNA imaging"的研究论文,提出了一种基于核酸序列信息编码的原位扩增标记方法,实现了细胞内单分子、单碱基分辨及高通量的原位RNA成像,并利用该技术研究了乳腺癌发生相关基因的表达.     

科学家研发出一种肝癌无创早期诊断新技术

<正>外周血循环游离DNA最早由Mandel和Metais于1948年发现.但直到1994年报道从肿瘤患者外周血中检测到RAS基因突变,人们才意识到其重要性.现香港中文大学卢煜明教授于1997年发现胎儿也会释放游离DNA至母亲外周血中,是又一重要突破.随着新一代高通量测序技术的快速发展,基于胎儿游离DNA测序的无创性产前筛查方法近年来取得了巨大成功.同时,针对肿瘤游离DNA的"液相活检"方法也正在临床上被迅速推广.这两种方法均     

单个细胞分析方法的研究现状与展望

本文对单个细胞分析方法的研究现状作一概述,文中系统地论述了毛细电泳法、色谱法、微电极法、显微技术用于单细胞分析的新进展.     

首张人类细胞图谱绘制成功

<正>近日,全球首张人类细胞图谱在浙江大学绘制成功。研究团队对60种人体组织样品和7种细胞培养样品进行了Microwellseq高通量单细胞测序分析,系统性地绘制了跨越胚胎和成年两个时期、涵盖八大系统的人类细胞图谱。通过这张图谱,该团队发现,多种成人的上皮、内皮和基质细胞在组织中似乎扮演着免疫细胞的角色。     

利用单细胞扩增技术解析母婴间肠道微生物构成及功能

微生物在人体中扮演重要角色,而婴儿早期微生物对日后健康发育至关重要.微生物可通过产道和母乳这2种主要途径从母亲传递给婴儿.本研究利用单细胞扩增技术对3对母婴粪便样品(共48份细菌悬液)进行宏基因组测序分析,旨在探究母婴间肠道微生物构成并对相关功能基因作出分析.结果显示,每对母婴间微生物尽管含量不同,但种类都高度相似(99%).三婴儿中,一个顺产婴儿显示与其母亲有相似的高丰度物种,如Roseburia hominis,Roseburia intestinalis,Eubacterium rectale,Eubacterium eligens等;另2个剖腹产婴儿显示与皮肤、口腔相关的高丰度物种,如Propionibacterium acnes,Staphylococcus saprophyticus/S.haemolyticus,Delftia acidovorans等.剖腹产婴儿中拟杆菌少于顺产婴儿,如Bacteroides(B.)fragilis,B.helcogenes,B.salanitronis等.本研究共检测到1283种细菌,除常见的人体肠道微生物外,还检测到4个低丰度物种,分别是Lactobacillus(L.)amylovorus,L.kefiranofaciens,L.sanfranciscensis和Bifidobacterium asteroids.粪便样品功能宏基因组显示,婴儿粪便中富有与碳水化合物相关的磷酸转移酶系统(PTS)和β-葡萄糖苷酶基因.本研究初次使用单细胞扩增技术对母婴间肠道微生物组成及功能做出探索,获得了较高测序深度及物种多样性,发现了之前鲜有报道的低丰度物种,证实单细胞扩增技术可用于后续不同生态环境微生物领域的研究.