取兩個癌細(xì)胞并對其基因組進行比較，令人驚訝的是，其基因組會完全不同，這種基因突變是癌癥的一個主要標(biāo)志，同時也是癌癥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(xì)胞所組成，那么單一的藥物或許無法奏效，但了解細(xì)胞的遺傳突變或許就能幫助臨床研究人員開發(fā)新型靶向性療法。

日前一項發(fā)表在PNAS雜志上的研究報告中，研究人員在一種塑料設(shè)備上捕獲了單一的癌細(xì)胞，提取其DNA并且繪制出了其序列圖譜，研究者利用光學(xué)標(biāo)測(optical mapping)技術(shù)提供了癌細(xì)胞基因組的大規(guī)模信息，這種技術(shù)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(xì)節(jié)信息。

通過比較單一細(xì)胞的光學(xué)圖譜和普通人類細(xì)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(nèi)部的基因組異質(zhì)性，甚至能夠闡明細(xì)胞是如何進展成為腫瘤的。對單一細(xì)胞中的DNA進行光學(xué)圖譜繪制需要四個步驟，1)首先捕獲細(xì)胞并從中提取長鏈DNA;2)利用熒光染料對DNA片段進行染色;3)加熱DNA分子，依據(jù)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)最后在顯微鏡下對分子進行拉伸和成像，并且讀取“條形碼”。

研究者開發(fā)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(guān)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(xué)標(biāo)測

那么為什么要使用光學(xué)圖譜而不是常規(guī)的DNA測序技術(shù)呢?傳統(tǒng)的DNA測序方法具有對單一堿基對的分辨率，也就意味著其能夠識別出DNA分子中的每個堿基對，因此如果有足夠材料的話，研究者就能在幾天內(nèi)對人類細(xì)胞中大約60億個堿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(zhàn)，這也是研究人員需要從單一細(xì)胞的研究中開始的。

研究人員需要面臨的一個挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)的DNA測序方法需要多個基因組拷貝，由于每個細(xì)胞中只有一個基因組拷貝，因此第一步就是將細(xì)胞中的基因組復(fù)制多次，這就是所謂的DNA擴增，但是復(fù)制過程中就會偶爾發(fā)生錯誤，從而使得結(jié)果模糊不清。另外一項挑戰(zhàn)就是DNA分子的每一個副本都會被隨機切割成更小的片段，即只有幾百個堿基對長的片段，然后對這些片段進行測序，隨后研究者再對序列進行組裝使其成為一個完整的基因組。

目前研究者很難檢測到基因組結(jié)構(gòu)上的變化，比如重復(fù)模式、基因片段的插入或缺失，正是這種結(jié)構(gòu)信息可能會對于后期研究者開發(fā)癌癥療法有效。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(xué)標(biāo)測(optical mapping)技術(shù)就能夠勝任這項工作，其能夠為長達100萬個堿基對的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(jié)構(gòu)變化成為可能，這些結(jié)構(gòu)變化從幾千堿基對到幾百個堿基對不等，通過DNA測序就能夠檢測到較小的改變。因此，測序和圖譜繪制的方式是互補的，從原則上來講，DNA分子能被進行光學(xué)圖譜繪制和測序;

在單細(xì)胞水平上對基因組進行測序或能幫助研究人員開發(fā)出有效且個性化的癌癥療法，但正如研究者在上面提到的那樣，使用目前的測序技術(shù)對單一細(xì)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(xué)標(biāo)測技術(shù)能夠檢測單一細(xì)胞DNA分子中大規(guī)模的遺傳變異，而且不需要DNA測序方法所要求的擴增步驟。

樣品的制備是在一個單用途的實驗用芯片設(shè)備上完成的，研究者能從單一細(xì)胞開始完成所有有用的基因組數(shù)據(jù)，這種設(shè)備減少了昂貴化學(xué)品的使用，同時也將污染風(fēng)險降到了最低。目前這項研究工作尚處于研究階段，目前研究者所面臨的挑戰(zhàn)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，從而繪制出單個細(xì)胞的所有DNA圖譜。