所有癌細胞都是一樣的嗎？並非如此！

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取兩個癌細胞並對其基因組進行比較，令人驚訝的是，其基因組會完全不同，這種基因突變是癌症的一個主要標誌，同時也是癌症難以治療的原因之一。如果腫瘤是由攜帶許多不同基因組的細胞所組成，那麼單一的藥物或許無法奏效，但了解細胞的遺傳突變或許就能幫助臨床研究人員開發新型靶向性療法。

圖片來源：CC0 Public Domain

日前一項發表在PNAS雜誌上的研究報告中，研究人員在一種塑料設備上捕獲了單一的癌細胞，提取其DNA並且繪製出了其序列圖譜，研究者利用光學標測(optical mapping)技術提供了癌細胞基因組的大規模信息，這種技術的工作原理就好像一張世界地圖，上面有森林、湖畔和山脈，但沒有像道路、房屋和小城市這樣的細節信息。

通過比較單一細胞的光學圖譜和普通人類細胞的參考圖譜，研究人員就能夠確定其之間的差異，這些信息就能夠揭示腫瘤內部的基因組異質性，甚至能夠闡明細胞是如何進展成為腫瘤的。

對單一細胞中的DNA進行光學圖譜繪製需要四個步驟：

1）首先捕獲細胞並從中提取長鏈DNA；

2）利用熒光染料對DNA片段進行染色；

3）加熱DNA分子，依據DNA序列的不同，染料會在某些地方比其它地方的附著性更好一些，這就會在DNA分子上留下條碼樣的圖譜；

4）最後在顯微鏡下對分子進行拉伸和成像，並且讀取「條形碼」。

研究者開發了一種低成本的塑料裝置，其能整合上述四個步驟，步驟如下圖。「條形碼」的工作原理就好像一個指紋一樣，其能識別與DNA分子密切相關的基因組部分，甚至能夠揭示成像的DNA分子和參考基因組之間的差異。

測序vs光學標測

那麼為什麼要使用光學圖譜而不是常規的DNA測序技術呢？傳統的DNA測序方法具有對單一鹼基對的解析度，也就意味著其能夠識別出DNA分子中的每個鹼基對，因此如果有足夠材料的話，研究者就能在幾天內對人類細胞中大約60億個鹼基對進行全基因組測序，但要對人類基因組的單一拷貝進行測序卻是一項挑戰，這也是研究人員需要從單一細胞的研究中開始的。

研究人員需要面臨的一個挑戰是傳統的DNA測序方法需要多個基因組拷貝，由於每個細胞中只有一個基因組拷貝，因此第一步就是將細胞中的基因組複製多次，這就是所謂的DNA擴增，但是複製過程中就會偶爾發生錯誤，從而使得結果模糊不清。另外一項挑戰就是DNA分子的每一個副本都會被隨機切割成更小的片段，即只有幾百個鹼基對長的片段，然後對這些片段進行測序，隨後研究者再對序列進行組裝使其成為一個完整的基因組。

圖片來源：medicalxpress.com

目前研究者很難檢測到基因組結構上的變化，比如重複模式、基因片段的插入或缺失，正是這種結構信息可能會對於後期研究者開發癌症療法有效。至少從理論上來講，有一種更為有效的方法來讀取DNA序列，光學標測(optical mapping)技術就能夠勝任這項工作，其能夠為長達100萬個鹼基對的DNA分子序列提供一個粗略的「指紋」，這比DNA測序的短讀取長度要唱的多，而且還避免了DNA測序所需要的擴增步驟。

這種長片段就能使得檢測結構變化成為可能，這些結構變化從幾千鹼基對到幾百個鹼基對不等，通過DNA測序就能夠檢測到較小的改變。因此，測序和圖譜繪製的方式是互補的，從原則上來講，DNA分子能被進行光學圖譜繪製和測序。

在單細胞水平上對基因組進行測序或能幫助研究人員開發出有效且個性化的癌症療法，但正如研究者在上面提到的那樣，使用目前的測序技術對單一細胞的DNA進行測序需要更高的要求。研究人員也首次證實了光學標測技術能夠檢測單一細胞DNA分子中大規模的遺傳變異，而且不需要DNA測序方法所要求的擴增步驟。

樣品的製備是在一個單用途的實驗用晶元設備上完成的，研究者能從單一細胞開始完成所有有用的基因組數據，這種設備減少了昂貴化學品的使用，同時也將污染風險降到了最低。目前這項研究工作尚處於研究階段，目前研究者所面臨的挑戰就是增加通量，這樣他們就能一次性對更多DNA分子進行分析，從而繪製出單個細胞的所有DNA圖譜。

參考文獻：

1. Are all cancer cells the same?

2. Rodolphe Marie et al. Single-molecule DNA-mapping and whole-genome sequencing of individual cells, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1804194115

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