取两个癌细胞并比较它们的基因组。令人惊讶的是，它们可能完全不同。这种遗传变异是癌症的标志之一，也是治疗癌症的一个原因。

　　如果肿瘤由具有许多不同基因组的细胞组成，则单一药物可能不会全部杀死它们。但了解遗传变异可以帮助临床医生开发针对性的治疗方法。

　　“作为我们研究的一部分，我们将一个癌细胞困在塑料装置上(见图)，提取其DNA，并生成其序列的粗粒图。我们的研究结果发表在‘美国国家科学院院刊’(PNAS)上。”

　　来自单个细胞的DNA的光学作图

　　我们使用了一种称为光学映射的技术，它提供有关基因组的大规模信息。它的工作方式就像一幅森林，湖泊和山脉的世界地图，但没有像道路，房屋和小城市那样的细节。

　　通过比较单个细胞的光学图谱和普通人类细胞的参考图谱，我们可以确定它们之间的差异。该信息可揭示肿瘤内的基因组异质性，甚至可指示细胞如何发展成肿瘤。

　　来自单个细胞的DNA的光学映射包括四个步骤：

　　首先，我们捕获细胞并提取其DNA的长片段。

　　然后我们用荧光染料染色DNA片段。

　　然后我们加热DNA分子：根据DNA序列的不同，这种染料在某些地方比其他地方粘得更好。这会在分子上留下类似条形码的图案。

　　最后，我们在显微镜下对分子进行拉伸和成像，以读取“条形码”。

　　我们开发了一种低成本的塑料设备，集成了所有四个步骤。步骤如下图所示。

　　图片描述：将人体细胞加载到一次性塑料装置上。捕获单个细胞，提取其DNA并用荧光染料染色。然后加热DNA以产生“条形码”，即取决于其特定DNA序列的荧光模式。拉伸单个DNA片段，并对它们的条形码进行成像和分析。与参考基因组的比较显示DNA来自的特定细胞的遗传变化。

　　“条形码”就像指纹一样：它识别DNA分子与参考基因组的哪个部分密切相关。它甚至可以揭示成像DNA分子和参考基因组之间的差异。

　　测序与光学映射

　　那么为什么要使用光学映射而不仅仅是通常的DNA测序呢?常规DNA测序方法的优点在于它们具有单碱基对分辨率，这意味着可以鉴定DNA分子中的每个碱基对。如果有足够的材料，研究人员可以在几天内从人类细胞(大约60亿个碱基)中对整个基因组进行测序。但是对人类基因组的单个拷贝进行测序具有挑战性。当我们从单个细胞开始时，这就是我们所拥有的一切。

　　其中一个挑战是通常的DNA测序方法需要多个基因组拷贝。由于每个细胞中只有一个基因组拷贝，第一步是多次复制基因组。这称为DNA扩增，是常规化学。但偶尔会出现复制错误，这会使结果模糊不清。

　　另一个挑战是DNA分子的每个拷贝被随机切成较小的片段，只有几百碱基对。然后对这些碎片进行测序。然后通过匹配部分重叠的读数将结果(所谓的“读数”)组装成完整的基因组。

　　检测结构变化也是非常困难的，例如重复模式或插入/缺失的基因组元件长于几百碱基对读长度。但正是这种类型的结构信息可能对癌症治疗的选择有用。

　　至少在理论上，有一种更明显和有效的方法来读取DNA序列。基因组编码在48个DNA分子上，长度为2纳米，长达8厘米。那么，为什么不从一端到另一端读取DNA序列呢?

　　光学映射几乎可以做到这一点：它提供了长达100万碱基对的DNA分子基础DNA序列的粗略“指纹”。这比DNA测序的短读长度长得多。并且光学映射还避免了DNA测序所需的扩增步骤。

　　长片段可以检测从几千碱基对到几百千碱基对的结构变异。可以通过DNA测序检测较小的变异。

　　所以这两种方法(测序和制图)是互补的。原则上，相同的DNA分子可以进行光学定位，然后进行测序。

　　迈向更有效和个性化的癌症治疗

　　在单细胞水平上对基因组进行测序的能力可以导致更有效和个性化的癌症治疗。但正如我们上面解释的那样，使用当前的测序技术仍然需要对来自单细胞的DNA进行测序。

　　我们首次证明光学映射可以检测取自单个细胞的DNA分子中的大规模遗传变异。我们这样做没有DNA测序方法所需的扩增步骤。

　　样品制备完全在一次性芯片实验室设备上完成，从单个细胞开始，并用有用的基因组学数据完成。这是我们工作的一个重要技术方面，因为该设备减少了昂贵的化学品的使用并最大限度地降低了污染的风险。

　　需要说明的是，我们的工作仍处于研究阶段。我们的设备尚未准备好在医院中使用，现在的挑战是提高吞吐量，因此我们可以一次分析更多的DNA分子。目标是从单个细胞中绘制所有DNA。