血液中的循环细胞执行各种功能，成年人血细胞来源于骨髓造血祖细胞。 祖细胞DNA序列的突变可导致血细胞发育的变化，有时导致癌症。由于技术限制，阐明祖细胞突变对血细胞发育的影响一直具有挑战性。Nam等人在《自然》中报道了一种检测人体血液祖细胞突变和测量基因表达的方法，并用它来分析癌症相关基因中有或没有突变的祖细胞混合物。他们发现，具有相同突变的祖细胞可以产生具有不同基因表达谱的细胞。

        造血功能——从祖细胞演变为成熟血细胞的过程——受到严格监管。祖细胞变成哪种类型的细胞，通常由它们从其周围环境接收的信号决定。 然而，有时祖细胞出现的突变可导致信号被阻断、被夸大或被忽略，导致特定类型细胞富集或耗尽，并且在一些情况下，产生癌性克隆。了解祖细胞突变如何导致不同细胞类型产生的变化是一个关键问题。

        研究祖细胞中的突变如何影响其基因表达，从而影响其特性和功能，一直是非常具有挑战性的，主要是因为突变细胞可能比较罕见，并且通常不表达可用于将它们从物理上与非突变细胞分离的分子标志物。

        已经使用同时检测遗传差异和测量单个细胞中基因表达的策略，将免疫血细胞混合物中的细胞分配给它们的原始供体，并研究具有某种类型的干细胞移植血癌个体中宿主和供体细胞群体的变化。然而，联合方法尚未广泛用于检查癌症相关基因突变对血细胞发育的影响。

        Nam等人设计了一种称为“转录组基因分型”(GoT)的方法，将现有的基因表达谱分析平台与扩增特定基因序列的技术相结合，以检测其中的突变(图1)。 他们使用这种方法分析了5个个体骨髓取样的数千个祖细胞，这些个体具有由CALR基因突变引起的血癌，其特征在于血小板细胞的过量产生。GoT使作者能够确定哪些采样细胞携带CALR突变而哪些不携带。

        图1 | 单细胞突变状态和基因表达分析。Nam等人对祖细胞进行了取样，这些祖细胞由具有一种血癌的个体产生血细胞，所述血癌是由具有CALR基因突变的祖细胞引起的。为了区分突变体和非突变体细胞，作者扩增并测序了单个细胞的CALR基因，作者还测量了每个细胞中基因表达的水平，他们根据细胞基因表达谱的统计分析鉴定了不同的细胞类型(虚线圆圈代表统计学，而非物理学，细胞分组)，并检查这些不同类型的哪些细胞具有CALR突变。某些细胞类型在CALR突变细胞中富集，并且CALR突变在不同类型的细胞中具有不同的作用(例如增殖作用)。

        作者使用统计分析将取样的祖细胞基于它们的基因表达谱“分组”成不同的类型(图1)。所有鉴定的类型都包含具有和不具有CALR突变的细胞。然而，CALR突变细胞更可能遵循某些分化途径，因此成为某些类型的血细胞。此外，Nam及其同事发现，当存在于祖细胞中时，突变的作用仅在细胞分化的后期才显著; CALR突变体细胞的后代比它们的非突变体对应物的后代更丰富，并且具有不同的基因表达谱。使用标准技术不可能进行这样的观察，这证明了该方法的价值。

        尽管GoT有其局限性，但可以通过将其适应新的单细胞工作流程来解决。 首先，GoT目前要求提前知道突变基因或一小组潜在突变基因的特性。例如，作者使用他们的多重分析版本，可以同时针对基因序列的多个预先指定的部分来探测三个基因。如果没有预先指定基因组的特定突变，基因或区域用于分析(例如，基于与疾病进展的关联)，理论上，多重分析可用于覆盖更大的基因组; 但是，这可能不符合成本效益。

        其次，GoT在检测基因中间附近发生的突变方面，效果不如检测末端附近发生突变。该问题的一个解决方案是使用较低通量的平台，该平台允许在单个细胞中分析全长RNA转录物;理论上，这种方法可以检测基因的RNA编码部分中的任何位置的突变。Nam等人提出一种替代方法，通过显示一种称为纳米孔测序的技术，其中通过使它们通过微孔来对全长转录物进行测序，与其高通量平台兼容。

        第三，GoT无法检测到未转录但可能影响基因表达的遗传序列中的突变。通过将GoT与测量细胞中某些DNA序列对酶的可接近性的技术相结合，可以研究这些序列。

        最近的一篇论文使用了一种不同的高通量方法来实施类似的靶向扩增策略来研究血癌，该种癌症被认为部分是由祖细胞突变导致的造血功能破坏引起的。

        论文作者还发现了一组仅在恶性祖细胞(即具有癌症相关突变的祖细胞)共表达的基因，并描述了利用基因表达数据区分恶性与非恶性细胞的机器学习方法，甚至不使用预先指定的基因序列信息。

        有趣的是，同一机器学习方法是否可以使用Nam等人的基因表达数据来区分恶性细胞和非恶性细胞?

        从单细胞获得基因序列信息仍然比评估基因表达更具挑战性;因此，仅基于单细胞基因表达预测恶性肿瘤的方法将具有广泛的临床意义。

        从理论上讲，GoT和类似方法可用于研究任何癌症。它们有可能精确地确定已知基因突变对下游细胞发育状态的影响，并确定某些突变是否足以诱发癌症。反过来，这些见解可以揭示构成癌症细胞克隆谱系演变的机制。

        Nature571, 329-330 (2019)

        doi: 10.1038/d41586-019-02028-2