科學家們如何利用RNA測序技術助力癌症等多項領域研究？

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近年來，科學家們利用RNA測序技術在很多研究領域中取得了突破性的成就，本文中，谷君就對相關研究報告進行了整理，分享給各位！

【1】Sci Rep：利用單細胞RNA測序技術闡明機體多種類型味覺細胞的工作機制

doi：10.1038/s41598-017-07746-z

日前，一項刊登在國際雜誌Scientific Reports上的研究報告中，來自美國濱州莫奈爾中心(Monell Center)的研究人員通過研究開發出了一種新技術能夠鑒別出了任何味覺受體細胞的一整套基因，相關研究或能幫助研究人員闡明味覺感受器細胞發揮特殊功能的分子機制。

研究者Sunil Sukumaran博士表示，在很多方面味覺系統都是機體營養的守門人，我們的研究闡明了味覺細胞的工作機制，或能幫助我們設計多種方法來操控味覺並且促進機體健康飲食。味蕾中含有50至100個緊密壓縮的細胞，而且其具有多樣化的特性，每一個洋蔥狀的感覺結構都包含有多種不同亞型的味覺受體細胞；如今研究人員所熟知的II型味覺細胞能夠對甜味或可口的化合物產生反應，類似地，III類味覺細胞則會對含鹽或酸的化合物產生反應。

【2】Science子刊：利用RNA測序揭示出隱藏的導致遺傳病的突變

doi：10.1126/scitranslmed.aal5209

在一項新的研究中，根據來自美國布羅德研究所等研究機構的研究人員的說法，對受影響組織進行RNA測序（RNA-seq）能夠被用來發現可能導致孟德爾遺傳病的突變。在布羅德研究所研究員Daniel MacArthur的領導下，一個研究小組對來自患上罕見的未確診遺傳病的病人的骨骼肌活組織進行RNA測序，揭示出新的利用DNA測序並不那麼容易鑒定出的致病性突變，如致病性的剪接位點變異。這項研究是迄今為止最大規模地將轉錄組測序應用於一群患上未確診疾病的病人當中以便鑒定出之前未知的與遺傳病相關的突變。相關研究結果發表在2017年4月19日的Science Translational Medicine期刊上，論文標題為「Improving genetic diagnosis in Mendelian disease with transcriptome sequencing」。

美國紐約基因組中心研究員Tuuli Lappalainen（未參與這項研究）說，「這是一項非常不錯的研究，它優異地證實了RNA測序可用於發現和描述有重大意義的人類疾病突變。」

英國劍橋大學韋爾科姆基金會桑格研究所研究員Jeffrey Barrett（未參與這項研究）告訴《科學家》雜誌，「在我們如何能夠利用DNA測序診斷罕見遺傳病方法方面已取得巨大的進展。但是，這種方法仍然不能夠在大約60%的病例中鑒定出有重大意義的突變。這篇新的論文非常好地展示了利用RNA測序發現這些突變方面取得的進展。」

【3】Science：單細胞RNA測序揭秘兩種腦癌的組成

doi：10.1126/science.aai8478

關於兩種腦癌的仔細分析發現這兩種腦癌竟來自同一種神經前體細胞，可以通過基因突變模式和微環境組成進行區分。這項由麻省總醫院（MGH）和博德研究所的研究人員完成的最新研究於近日發表在Science上。

「我們的研究重新定義了兩種攜帶IDH基因突變的相近的膠質瘤——星形細胞瘤和少突神經膠質瘤。」研究共同通訊作者、MGH病理學系和癌症研究中心教授Mario Suvà博士說道，「儘管我們知道這兩種腫瘤基因存在差別，但是我們並不知道它們是否具有相同的細胞來源或者它們基因表達的不同是由於遺傳、細胞來源還是腫瘤微環境？」

幾項最近的研究已經發現了促進腫瘤生長的基因突變，並根據包含腫瘤細胞和微環境中正常細胞的組織樣品基因表達分析給腫瘤分類。但是由於這些分析都是根據大塊腫瘤組織進行的，因此可能掩蓋了許多重要的信息。

【4】Science：利用單細胞RNA測序分析黑色素瘤

doi：10.1126/science.aad0501

單細胞分析是一種開創性方法，如今在整個生物領域中正被用來研究一個共同的問題：如何研究異質細胞群體中的細胞多樣性。這種多樣性能夠對細胞存活和增殖、對藥物療法和干預作出的反應以及很多其他的生物過程產生深刻影響。單細胞技術已被用於眾多研究---比如，研究自身免疫疾病中的免疫反應異質性，研究傳染病中的宿主-病原體相互作用，研究人轉錄組。如今，它被用來研究癌症組織---一種多樣性的複雜細胞環境，這經常難倒科學家們。

在過去兩年來，在美國布羅德研究所骨幹成員、麻省理工學院生物學教授和霍華德-休斯醫學研究所研究員Aviv Regev的領導下，計算生物學家、細胞迴路專家和布羅德研究所成員Levi Garraway的癌症研究團隊合作接受這個挑戰。

在一項新的研究中，通過與麻省理工學院副教授、單細胞分析先鋒Alex Shalek合作，Garraway團隊研究黑色素瘤，即最為致命的皮膚癌。他們的研究有助揭示腫瘤的多樣性細胞環境，這不僅對腫瘤中的癌細胞異質性，也對可能影響癌症行為和對治療作出的反應的T細胞和其他細胞，提供深入認識。相關研究結果發表在2016年4月8日那期Science期刊上，論文標題為「Dissecting the multicellular ecosystem of metastatic melanoma by single-cell RNA-seq」。論文共同第一作者是Regev實驗室的博士后研究員Itay Tirosh和Garraway實驗室研究員Benjamin Izar，其中Benjamin Izar也是這篇論文的共同通信作者。另外兩名共同通信作者是Regev和Garraway。

【5】RNA測序助力開發高特異性及高準確性的前列腺癌診斷技術

新聞閱讀：RNA sequencing opens door to accurate， highly specific test for prostate cancer

來自歐洲泌尿外科協會的研究者近日公布了一項最新研究成果，研究者對前列腺癌患者進行非編碼的RNA測序或可幫助他們在患者尿液中鑒別出一系列前列腺癌的標誌物，將這些RNA標誌物同單一檢測相結合或許就可以幫助打開一扇簡單、精準的前列腺癌無創診斷技術的大門。

當前診斷前列腺癌的技術，比如PSA和PCA3測試，並不具有較高的準確性，其會導致假陽性結果的增加，而進行更加特異性及準確性的檢測或將可以對患者進行更加精準的篩查。這項研究中研究人員利用一種系統性的方法鑒別出了新型的生物標誌物，其或將幫助進行更加特異性的前列腺癌診斷。

非編碼RNA是近年來癌症研究領域所關注的一大亮點，RNA可以幫助調節蛋白質的合成，但截止到目前為止科學家們發現大多數RNA或許並不具有真正的功能，而且這些RNA會呈現出雜亂無規則的積累形式；對非編碼RNAs的理解可以幫助揭示其如何調節一系列生理學過程及機體病理過程的進展，包括癌症的發生和進展等。

【6】Nat Biotechnol：四篇文章闡明全球RNA測序遺傳分析技術的精確性

doi：10.1038/nbt.2957

醫生們常常會想如果未來通過獲得病人們的基因組數據對患者進行醫護監控，但是專家們卻質疑基因組分析的準確性和可靠性。如今來自12個國家的150位研究人員揭示了新型的RNA基因組測序技術，並且表示RNA測序技術可改善以往測序中存在的微小差異，這些研究成果（四篇研究論文）刊登於國際著名雜誌Nature Biotechnology上。

研究者E. Aubrey Thompson教授表示，這些研究成果或許就可以為病人、醫生及研究團體提供準確的基因組測序數據，那麼未來通過基因組數據來確定病人的治療策略就變得非常有可能了。研究人員表示，基於測序的分析結果也可以在實驗室之間進行研究對比，這就意味著針對病人的樣本的研究結果的準確性將是世界級的。

近年來RNA測序技術的應用範圍越來越廣，從檢測新生兒遺傳缺陷到老年人的疾病障礙都可以進行RNA測序來分析，很多研究機構也都開發出了新型的分析工具來解釋他們的測序數據。目前每一個研究機構（即論文中的每個研究機構）都得到了超過10億個核苷酸測序數據，這些數據隨後會被FDA和一些學術專家來進行分析論證。

【7】Nature：利用單細胞RNA測序技術揭示肺部細胞的層級譜繫結構

doi：10.1038/nature13173

近日，刊登在國際雜誌Nature上的一篇研究論文中，來自斯坦福大學的研究人員揭示了一種新型複雜的遺傳編碼，其可以促使胚胎細胞增殖並且將其轉化成為特殊類型的細胞用以完成不同的機體任務。

文章中研究者從小鼠的胚胎中取出肺部細胞，在胚胎髮育的不同階段點選取不同的樣本，利用新型的單細胞基因組分析技術，研究者就可以記錄得到在每一個細胞每一個周期點的時候處於激活狀態的基因，儘管本文是對小鼠胚胎肺部細胞進行研究，但是這項新型研究技術適用於任何類型的細胞。

【8】失眠？可能是這些細胞不配合！科學家用病毒示蹤和RNA測序精確定義了睡眠神經元

doi：10.1038/nature22350

睡眠一直以來是人們比較感興趣的研究課題，因為人的一生大約有1/3的時間是在睡眠中度過的。睡眠是每個人生命中的必需品，但它也困擾了很多人的日常生活。

近幾十年，隨著腦電記錄技術的發展，人們發現睡眠過程並不是一成不變的。從腦電的檢查結果來看，正常人在睡眠時，存在兩種截然不同的現象：有時眼球快速來回活動，被稱作快速眼動期睡眠（REM），有時眼球不活動或者只有很慢的浮動，被稱作非快速眼動期睡眠（NREM），同時腦電活動也出現了不同的變化。

雖然，我們對睡眠的不同階段有了一些了解，但是對睡眠的腦機制尚不清楚。當前研究發現表明，如果腦中的下丘腦視前區（Preoptic area， POA）發生了損傷，會導致嚴重的睡眠障礙，這說明視前區在睡眠的產生中起到重要的作用。然而，到底是哪些神經環路促進了睡眠很不清楚，尤其是睡眠神經元和清醒相關神經元在空間上並沒有明顯區分，這給人們研究特定的睡眠神經環路製造了難度。

【9】Cell：將CRISPR和單細胞RNA測序結合在一起分析基因功能

doi：10.1016/j.cell.2016.11.039

哪些突變組合有助癌細胞存活？大腦中哪些細胞參與阿爾茨海默病發生？免疫細胞如何執行它們的複雜決策過程？如今，在一項新的研究中，來自以色列魏茲曼科學研究所等機構的研究人員在一種方法中將兩種強大的研究工具--- CRISPR基因編輯和單細胞基因組分析---結合在一起，從而可能最終有助我們解答這些問題和更多的其他問題。相關研究結果發表在2016年12月15日那期Cell期刊上，論文標題為「Dissecting Immune Circuits by Linking CRISPR-Pooled Screens with Single-Cell RNA-Seq」。

這種新技術能夠讓研究人員在單細胞中操縱基因功能，和非常高解析度地理解每種變化的結果。他們說，利用這種方法開展的單個實驗可能相當於利用之前的方法開展的上千次實驗，而且它可能加快基因工程領域的發展。

【10】Science：新方法讓RNA測序精準度提高3～10倍

doi：10.1126/science.aaf5409

HIV和HCV等逆轉錄病毒通過一種被稱作逆轉錄的過程將RNA複製為DNA。但是這一過程容易出錯，這是因為所有逆轉錄病毒進化樹上的祖先都沒有精確複製RNA的能力。

逆轉錄病毒是通過一種被稱作逆轉錄酶（reverse transcriptase， RT）的酶將RNA複製為DNA。不同於DNA聚合酶---以DNA為模板，複製出完全一樣的DNA鏈---的是，RT酶大多屬於具有古老進化起源的單個蛋白家族。它們缺乏3′→5′外切酶結構域，因而沒有3′→5′鹼基校對功能，不能夠校驗新合成的DNA中出現的一些鹼基錯誤，因而在逆轉錄時，容易出現突變。

自從發現逆轉錄以來，科學家們一直利用這一過程來更好地了解與遺傳疾病和人類健康相關的遺傳信息。然而，現存的RNA測序技術易出錯性仍然是一個棘手問題，必需加以解決。

在一項新的研究中，為了確定這種校對功能的缺乏是進化歷史上的偶然事件，還是逆轉錄的一種功能限制，來自美國德州大學奧斯汀分校的Jared Ellefson、Andrew Ellington及其同事們利用體外定向進化和蛋白工程等技術讓原核生物DNA聚合酶進化出熱穩定性的具有錯誤校正能力（即具有3′→5′外切酶活性）的被稱作逆轉錄異種聚合酶（reverse transcription xenopolymerase， RTX）的RT酶。