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Cell：单个卵细胞基因组测序


近日，北京大学的科学家们完成了对单个卵细胞的高精度全基因组测序，这是一项里程碑式的工作。该项研究由北京大学第三医院乔杰教授、生物动态光学成像中心汤富酬教授和谢晓亮教授所领导的三个研究小组共同完成，谢晓亮同时也是哈佛大学的教授。
人类的遗传信息存在于每个细胞的DNA中，DNA是由四种不同的核苷酸组成的长链。这些核苷酸的组合和序列组成了遗传的基本功能单位——基因。无论在基础研究还是临床应用上，对细胞中所有基因序列（全基因组）的测定都是极其重要的。但是，由于单个细胞中仅含有每个基因的两个拷贝，因此对单个细胞进行全基因测序是非常困难的。2012年，谢晓亮课题组实现了对单个细胞全基因组的高精度测序，随后，该技术被应用到多项研究工作中去。体外受精技术（IVF）是辅助生命个体在体外从单个细胞开始发育的技术，因此，单个卵细胞的全基因组测序是辅助生殖领域的研究人员梦寐以求的研究课题。而北大团队的这项工作实现了该领域的一项重大飞跃。
在《细胞》杂志的这篇报道中，北大团队巧妙地利用了卵细胞成熟、受精过程出现的独特的结构——极体，它是卵细胞分裂的副产物，并且不参与卵细胞后续的正常发育过程。该团队研究人员发现了一个新的方法，通过对极体的全基因组测序推断出在受精卵中母源基因组的情况，从而选择出一个正常的胚胎进行移植。
除了在基础研究中的重要意义，这项工作对于临床上严重遗传疾病的诊断和预防方面也有重要意义。这一方法能够帮助医生诊断出来自母亲卵子或者父亲精子的遗传病。乔杰教授解释说：“今年是人类辅助生殖成功应用35周年，35年来IVF技术给无数家庭带来了福音。不孕不育问题困扰着高达10%-15%的育龄夫妇，而IVF技术是解决不孕不育问题的重要方法之一。我们正在采用极体单细胞基因组测序技术去提高IVF的成功率，特别是对于高龄以及反复流产的妇女。”
汤富酬教授进一步解释说：“我们利用这一技术一箭双雕地实现了两个目标，既能够检测染色体异常也能够检测与遗传疾病有关的DNA序列变异。这项技术有可能将试管婴儿的活产成功率从目前的30%提高到60%。”
目前，北大团队仍在全力探索这项技术在基础研究和临床试验中的应用潜力。
全球有多达15%的夫妇受到不孕不育的影响，体外受精（IVF）是治疗这种常见疾病的一种方法。在发表于12月19日的《Cell》杂志上的一项新研究中，北京大学的研究人员报道了一项安全、准确且廉价的方法，可为IVF程序选择出基因正常的胚胎，因此提高了一对夫妇生育健康孩子的机会。
通过对单个的卵细胞进行全基因组测序，这种方法可以检测到与遗传疾病相关的染色体异常和DNA序列变异。论文作者、北京大学第三医院乔杰（Jie Qiao）教授说：“采用这种方法，我们可以一箭双雕：采用一套深度测序分析，避免了两种遗传问题。从理论上讲，如果这种方法能够很好地发挥作用，我们将能够将试管婴儿技术的成功率从30%提高到60%，甚至更高。”
IVF程序涉及将女性的卵子和男性的精子取出后，置于一个实验皿中使其受精，在将胚胎前体——受精卵移植回母体子宫内发育成胎儿。当前有各种程序可用于检测植入前胚胎遗传缺陷，但这些方法往往是侵入性的，需要从不断生长的胚胎中取得一些细胞，且不能同时检测与遗传疾病相关的染色体异常和DNA序列变异。
研究人员近期开发了一些全基因组测序方法可同时检测单个人类精子细胞中的两种缺陷，但直到现在，还没有类似的方法被应用于卵细胞，而卵细胞中的染色体异常相比于精细胞中要更为常见。 在这项新研究中，任职于北京大学和哈佛大学的谢晓亮（Sunney Xie）教授，与北京大学的乔杰教授及汤富酬(Fuchou Tang)研究员，开发了一种测序极体（polar bodies）全基因组的方法。雌性生殖细胞形成过程中经过两次乘数分裂，形成一个大型的单倍体卵细胞和2-3个小型的细胞，这些小型的细胞就称为极体。由于极体对于人类胚胎发育可有可无，可以安全地移除它们而不会损伤胚胎。
谢晓亮说：“我们现正启动一项基于这种方法的临床试验。如果临床试验行得通，这一技术有可能极大地提高体外受精的成功率，尤其是对于那些年龄较大以及习惯性流产的妇女。”
（生物通：何嫱）
世界生命科学领域的权威学术杂志《细胞》20日对外发布，来自中国北京大学的科研团队，在国际上首次完成了人类单个卵细胞高精度基因组测序。这项技术可帮助医生检测出遗传过程中来自母亲的遗传病，并有可能将试管婴儿的活产成功率从目前的30%提高到60%。
中国科学家全球首次完成人类单个卵细胞高精度基因组测序
巧妙实现卵细胞基因测序
据《细胞》杂志披露，近日，北京大学的科学家们完成了对单个卵细胞的高精度全基因组测序，这是一项里程碑式的工作。该项研究由北京大学第三医院乔杰教授、生物动态光学成像中心汤富酬教授和谢晓亮教授所领导的三个研究小组共同完成，谢晓亮同时也是哈佛大学教授。
人类的遗传信息存在于每个细胞的DNA中，DNA是由四种不同的核苷酸组成的长链。这些核苷酸的组合和序列组成了遗传的基本功能单位——基因。无论在基础研究还是临床应用上，对细胞中所有基因序列（全基因组）的测定都是极其重要的。但是，由于单个细胞中仅含有每个基因的两个拷贝，因此对单个细胞进行全基因测序是非常困难的。
在《细胞》杂志的这篇报道中，北大团队巧妙地利用了卵细胞成熟、受精过程出现的独特的结构——极体，它是卵细胞分裂的副产物，并且不参与卵细胞后续的正常发育过程。该团队研究人员发现了一个新的方法，通过对极体的全基因组测序推断出在受精卵中母源基因组的情况，从而选择出一个正常的胚胎进行移植。
中国基因测序技术领跑世界
早在2003年，人类就绘制成功第一幅基因组工程（HGP）草图，为破解人类基因密码奠定了初步基础。此后，随着基因测序技术水平的提高，全基因组高精度测序也已经实现。
然而，迄今为止使用的测序材料无一例外都是数百万甚至更多细胞的混合DNA样本。这种方法能够得到全基因组序列信息，但是对其进行研究得到的结果只是一群细胞中信号的平均值，或者只代表其中占优势数量的细胞信息，单个细胞独有的特性被忽视。例如，科学家想找出哪种突变存在于哪种细胞中几乎是不可能的，只存在于少数细胞（如早期癌细胞）中的突变也基本上被掩藏。另一方面，有些样品稀少无法在实验室培养，样品量不足以进行全基因组分析，例如肿瘤循环细胞、组织微阵列、早期发育的胚胎细胞等。这些都是全基因组测序遇到的难题。
作为“在单个细胞水平上对基因组进行测序”的单细胞测序技术能够解决上述难题。与传统的全基因组测序相比，单细胞测序不仅测量基因表达水平更加精确，而且还能检测到微量的基因表达子或罕见非编码RNA，其优势是全方位和多层次的。
2011年，《自然方法》杂志( Nature Methods )将单细胞测序列为年度值得期待的技术之一，2013年，《科学》杂志（Science）将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首。
中国科学家在基因组测序领域已经走在了世界领先位置。2012年，北京大学研究人员首次实现高覆盖度单个精子全基因组测序，这项工作首次实现了高覆盖度的单个精子的全基因组测序，构建了迄今为止重组定位精度最高的个人遗传图谱，并且解决了一个困绕学术界多年的问题，即基因区附近重组率的降低是由于分子机制而非自然选择造成的。
谢晓亮出身于化学世家，其父为北大化学与分子工程学院著名教授谢有畅。

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可助试管婴儿活产率翻倍
除了在基础研究中的重要意义，单细胞全基因组测序工作对于临床上严重遗传疾病的诊断和预防方面也有重要意义。这一方法能够帮助医生诊断出来自母亲卵子或者父亲精子的遗传病。
体外受精技术（IVF）是辅助生命个体在体外从单个细胞开始发育的技术，因此，单个卵细胞的全基因组测序是辅助生殖领域的研究人员梦寐以求的研究课题。而北大团队的这项工作实现了该领域的一项重大飞跃。
乔杰教授说：“今年是人类辅助生殖成功应用35周年，35年来IVF技术给无数家庭带来了福音。不孕不育问题困扰着高达10%-15%的育龄夫妇，而IVF技术是解决不孕不育问题的重要方法之一。我们正在采用极体单细胞基因组测序技术去提高IVF的成功率，特别是对于高龄以及反复流产的妇女。”
据介绍，目前人类辅助生殖的成功率仍然很低，这主要是由于传统受精卵筛选的方法不够精确。通常，为了降低各类风险，例如怀上多胞胎，可导致流产的子痫前症以及大出血等，医生们只能将一个胚胎移植入子宫。传统的筛选依据主要是受精卵的形态，而形态判断主要依靠医生的主观经验，可见传统方法的精确度是难以保证和提高的。胚胎移植成活率低的主要原因之一在于各类染色体异常。因此，植入前的全基因组遗传筛查不但可以最大限度地提高移植胚胎成活率，提高试管婴儿的健康水平，而且可以大幅降低医疗费用，减轻孕妇的痛苦，为社会和病人节约大量资源。
汤富酬教授进一步解释说：“我们利用这一技术一箭双雕地实现了两个目标，既能够检测染色体异常也能够检测与遗传疾病有关的DNA序列变异。这项技术有可能将试管婴儿的活产成功率从目前的30%提高到60%。”
目前，北大团队仍在全力探索这项技术在基础研究和临床试验中的应用潜力。