Beschleunigung der einzelzell-Genomik-Forschung: Verbesserte single-cell-ATAC-seq-Methode skaliert erforscht, wie Gene gesteuert werden

Wissenschaftler an der Harvard University, in Zusammenarbeit mit Forschern an Bio-Rad Laboratories, entwickelt eine neue Plattform für die schnelle single-cell sequencing. Der Ansatz kombiniert die Mikrofluidik und neue software, um scale-up single-cell-ATAC-seq, identifiziert, die Teile des Genoms, die sind offen und zugänglich für regulatorische Proteine.

Veröffentlicht in Nature Biotechnology, der Innovations-Signale eine wesentliche Beschleunigung in der einzelzell-Genomik-Forschung.

Was ist single-cell sequencing?

Wir alle beginnen als einzelne Zelle, aber schnell biegen Sie in die Billionen. Das Genom in die erste Zelle kopiert wird, in der ganze rest-so wie wir am Ende mit so vielen verschiedenen Zelltypen? Für viele Jahre haben Wissenschaftler versucht herauszufinden, wie Gene ein-und ausgeschaltet in verschiedenen Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Ihrer Entwicklung, so dass Zellen durchführen können spezifische Funktionen.

Single-cell sequencing hat sich dieser Bereich der Forschung, sodass die Wissenschaftler studieren die Gene in einzelnen Zellen, sondern als große Stücke von Gewebe. Beim Studium der Zellen in der Massen -, die Sammlung könnte sich einheitlich, aber tatsächlich enthält viele verschiedene Zelltypen. Aufgrund dieser Ergebnisse stellen einen Durchschnitt. Sie zeigen die Forscher in eine vielversprechende Richtung, aber tun es nicht geben genaue Einblicke.

Indem die Forscher zu prüfen, nur eine Zelle zu einem Zeitpunkt, single-cell sequencing ist die Neudefinition der Anatomie. Es siebt durch Zellen, die ähnlich Aussehen, auf der Oberfläche, Hervorhebung neue Zelltypen und erheblich verbessern die Fähigkeit, einzelne Gene, die fahren, gesunden Funktionen oder Krankheitsprozesse im Körper.

ATAC-seq

In dieser Studie, die Forscher konzentrierten sich auf eine Art der Sequenzierung genannt ATAC-seq (Assay für die Transposase-Zugänglich Chromatin mit Hilfe der Sequenzplanung). Jede menschliche Zelle enthält zwei Meter DNA, eng verpackt in der mikroskopischen Zellkern. ATAC-seq identifiziert werden, welche Teile der DNA sind abgespult und zugänglich für Proteine.

„Es ist ein bisschen wie die öffnung eines mehrdimensionalen Koffer, um auf der Kleidung,“, sagte Fabiana Duarte, co-lead-Autor der Studie und ein postdoctoral fellow in Jason Buenrostro lab an der Harvard-Universität. „Wenn ein Teil des Genoms zugänglich ist, ein Enzym kann ein Schnitt und markieren Sie Sie. Dann finden wir die Sequenzen werden alle markierten DNA.“

Gene gesteuert werden, die von vielen verschiedenen Proteinen. Transkriptionsfaktoren, zum Beispiel, binden Sie ein Stück DNA und bringen Sie über die Maschinen, die es liest. Es gibt unzählige Transkriptionsfaktoren, und jeder erkennt und bindet an eine sehr spezifische DNA-Sequenz. Diese Sequenz wird aufgerufen, ein Motiv, und weil es so bestimmte es gekennzeichnet werden können, in ATAC-seq Daten.

Da Buenrostro und Kolleginnen und Kollegen entwickelt ATAC-seq in 2013 hat das Feld zog sich schnell. Die Technologie ist verwendet überall in der Genomik-Gemeinschaft, zum Beispiel in der Menschlichen Zelle, Atlas-Projekt, zu verstehen und map-Genom-Funktion. Aber der komplexe Prozess war zeitaufwändig und ineffizient, mit nur einem Bruchteil der Zellen, die nachgeben, zuverlässige Ergebnisse.

Scaling-up

Der neue Ansatz entwickelt, in dieser Studie ATAC-seq wesentlich effizienter. Wo bisherige Ansätze, die es möglich gemacht-Profil 100 Zellen pro Reaktion, die neue Methode, profile bei 50.000.

„Wir haben skaliert, damit können wir Profil viele Zellen in einem menschlichen Gewebe in einer einfachen Art und Weise. Die Methode ist einfach, so dass Sie können führen Sie das experiment in einem Tag, von Anfang bis Ende. Wird es den Forschern erlauben, zu erreichen, viel mehr-in einer weit kürzeren Zeit“, sagte Buenrostro, assistant professor in Harvard Department of Stem Cell and Regenerative Biology.

Eine der größten Herausforderungen im single-cell sequencing ist eine Isolierung der Zellen untersucht werden. Die neue Methode löst dieses problem mithilfe von Mikrofluidik und Tröpfchen.

„Wir haben mit dem Bio-Rad-team auf die Methode,“ Duarte sagte. „Ein Kanal von der Vorrichtung liefert eine Zelle, und ein anderer fügt eine Perle-und jede Perle hat einen bar-Code-tag. Wo Sie sich treffen, es gibt öl-so erhalten Sie die Tröpfchen. Jeder Tropfen hat eine Zelle und eine Perle. Sie können eine Menge von Zellen in dem Gerät die Daten auf die einzeln markierten Zellen.“

Aber der Teufel liegt im Detail, wie jeder Bioinformatiker werden Sie sagen.

„Im Idealfall hätten Sie eine Perle in jedem Tropfen. Aber in der Praxis, um sicherzustellen, dass jede Zelle wird markiert, Tröpfchen können am Ende mit mehr als eine Perle,“ sagte Caleb Lareau, co-Erstautor und Doktorand in Buenrostro lab. „Unsere neue software erkennt diese Fälle und führt diese zusammen, so dass Sie erkennen können einzelne Zellen, die vielleicht auf den ersten geschaut haben, wie viele.“

„Aufgrund experimenteller und theoretischer Innovationen, wir können jetzt profile für 95% der Zellen, die in die Maschine gelegt. Das ist von rund 20 auf 30% — wie Nacht und Tag“, Lareau sagte.

Die Beschleunigung der Forschung

„Dieses droplet-Ansatz zur Verfügung, um die biomedizinische Wissenschaftler in allen Bereichen als ein off-the-shelf-Technologie, und ich bin wirklich stolz, dass wir dazu beigetragen, es zu erhalten, um diese Etappe“, sagte Buenrostro, der auch ein Mitglied der Fakultät der Harvard Stem Cell Institute. „In dieser Studie, entwickelten wir auch eine Methode innerhalb der Methode: barcoding Hinzugefügt eine weitere Schicht von tagging, das es uns erlaubt, um die Zahl der Zellen konnte die assay-um das Zehnfache oder mehr. Es ändert sich die Fragen, die Sie Fragen können, und wie schnell können Sie finden Antworten-ich denke, wir sehen, die Forschung bewegt sich sehr viel schneller jetzt.“