單細胞基因組測序是在單細胞水平對全基因組進行擴增與測序的一項新技術(shù)。其原理是將分離的單個細胞的微量全基因組DNA進行擴增，獲得高覆蓋率的完整的基因組之后進行高通量測序，用于揭示細胞群體差異和細胞進化關(guān)系。全基因組測序的應(yīng)用范圍涉及臨床醫(yī)藥研究、群體遺傳學(xué)研究、關(guān)聯(lián)分析、進化分析等眾多領(lǐng)域。
1、實驗方案
測序策略：Illumina HiSeq X PE 150
數(shù)據(jù)量：推薦30~50×測序深度
2、技術(shù)優(yōu)勢
（1） 多種變異檢測：單核苷酸多態(tài)性（SNP）、插入缺失（InDel）和結(jié)構(gòu)變異（SV）；
（2） 與芯片方法比較，可以檢測到新的變異序列；
（3）與人類全基因組從頭測序相比，耗時更短、成本更低。
3、數(shù)據(jù)分析
3.1 標(biāo)準信息分析
（1）按標(biāo)準流程進行數(shù)據(jù)整理及數(shù)據(jù)質(zhì)量評估；
（2）與參考基因組比對；
（3）SNP的檢測及其在基因組的分布；
（4）InDel的檢測及其在基因組的分布；
（5）CNV的檢測及其在基因組的分布；
（6）包含變異基因的功能注釋（GO注釋、Pathway注釋）。
3.2 高級信息分析（腫瘤基因組學(xué)）
（1）癌基因/抑癌基因/易感基因篩查；
（2）高頻突變基因統(tǒng)計及通路富集分析；
（3）NMF突變特征及突變頻率分析；
（4）NovoDriver已知驅(qū)動基因篩選；
（5）基因組變異Circos圖展示。
4、技術(shù)流程
5、案例分析
案例（1） 單細胞基因組測序解構(gòu)正常成人大腦的單個神經(jīng)元突變
來自霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的（HHMI）的研究人員從三位去世的成人捐贈的健康大腦中分離出了36個神經(jīng)元并測序了它們的基因組。為了進行比較，科學(xué)家們還從每個個體的心臟中分離出了細胞進行DNA測序。他們發(fā)現(xiàn)每個神經(jīng)元的基因組都是獨特的。每個神經(jīng)元都有1000多個點突變，只有少數(shù)突變出現(xiàn)在一個以上的細胞中。盡管神經(jīng)元中的大多數(shù)突變是獨特的，一小部分出現(xiàn)在了多個細胞中。這表明了這些突變起源于腦細胞仍在分裂之時——這一過程在出生前便完成。這些早期突變隨細胞分裂和遷移傳遞下去，科學(xué)家們能夠利用它們來重建部分大腦發(fā)育史。
圖1 腦中體細胞SNV位點與神經(jīng)系統(tǒng)功能和疾病相關(guān)
案例（2） 一種新的單細胞基因組測序方法-組合索引測序
單細胞基因組測序?qū)z測體細胞突變是很有效的手段，特別是在腫瘤進化的背景下。因當(dāng)前建庫成本較高，限制了可被評估的細胞數(shù)目，從而限制了組織異質(zhì)性的檢測。該研究開發(fā)了單細胞組合索引測序（SCI-seq），該方法可同時產(chǎn)生數(shù)千個低通的單細胞文庫以檢測體細胞拷貝數(shù)變異。研究人員從培養(yǎng)的細胞系、靈長類動物前額皮質(zhì)組織和兩個人腺癌樣本中構(gòu)建了16698個單細胞文庫，并詳細評估了胰腺腫瘤的亞克隆變異。
圖1 恒河猴腦中的體細胞CNV
參考文獻
[1] Lodato et al. Somatic mutation in single human neurons tracks developmental and transcriptional history. Science, 2015.
[2] Vitak et al. Sequencing thousands of single-cell genomes with combinatorial indexing. Nature Methods, 2017.
