在第一个完整的人类基因组被绘制出来不到十年后，解码单个性细胞的完整基因组的技术已经出现。这项技术有望为不孕的原因、突变的发生和人类基因组的多样性提供新的见解。
精子和卵细胞与其他体细胞的不同之处在于，它们具有单套（而不是双套）染色体。研究人员成功扩增并测序了来自同一个体（一位 40 岁男性，其基因组已经过测序和分析，这是检查精子测序准确性的重要因素）的 91 个精子细胞。他们发现，被采样的精子经历了大约 23 次重组，这有助于混合来自染色体的基因，以增加后代的遗传多样性，以及 25 到 36 个新的突变，这些比率与之前对普通人群的估计相符。科学家于 7 月 19 日在《细胞》杂志在线报告了这些发现。
这项新功能“将使我们能够回答许多关于种系基因组稳定性的问题，”圣路易斯华盛顿大学医学院的人类遗传学家唐·康拉德说，他没有参与这项新的研究。研究人员发现，尽管捐赠精子的男性已经有健康的后代，但研究的两个精子细胞都缺失了一条完整的染色体。然而，这种突变使得精子细胞成功使卵子受精的可能性降低。
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到目前为止，我们对人群规模的基因突变和重组进行了粗略的估计。“我们没有工具来量化个人层面的这些事情，”康拉德说。“这是一项技术突破。”斯坦福大学医学院生物工程系的斯蒂芬·奎克和他的团队在过去十年中一直致力于该项目。“我们从细菌开始，逐步研究人类，”他说。他们利用微流体领域的发展，在芯片上对单个细胞进行测序。他们报告说，这些微流体芯片使他们能够使用更少的材料来扩增基因组（采用一种称为多重置换扩增的过程），从而将污染（从而导致错误发现）的可能性降低了 1000 倍。
这种方法还揭示了突变似乎在基因组上聚集的新位置，即所谓的“热点”。尽管这项研究并非旨在找出特定的生物信号，但它表明“我们对整个基因组的热点实际上知之甚少，”奎克说。未来的研究可以利用这些发现和技术来开始探索更大的生物学问题，例如“帮助理解并可能诊断生殖障碍，以帮助理解当这是男性的责任时会发生什么，”他说。
然而，生殖技术人员不会很快对精子进行测序以筛选它们进行植入。目前的测序方法会破坏被测精子细胞。然而，奎克表示，在适当的条件下，即在精子细胞通过减数分裂分裂之前，既可以筛选又可以完整地捕获精子细胞。“如果你能在它们分离之前捕获它们，你可以对一个进行测序，你就会知道另一个是什么。”
为生育和更多方面进行测序
对这些单个性细胞进行测序的能力将为研究不孕症打开一扇新的窗口。“我认为那里存在着尚未被命名的不孕症形式，”康拉德说。他估计该技术可以在五年内得到验证并准备好用于临床。他说，下一个障碍不是技术上的，而是生物学上的：科学家们还不完全知道哪些基因变化可能与各种生育挑战有关，这是开发和推广诊断测试之前的一个主要步骤。
一些夫妇已经在子宫内植入胚胎之前测试可能导致疾病的遗传突变。这些现有的基因测试也清楚地表明，在精子基因组筛查广泛应用之前，还有其他需要考虑的问题。康拉德指出，其中之一是“复杂的法律环境”。当临床医生进行全基因组筛查时，他们可以发现任何东西，例如使一个人患某种癌症的风险更高的突变。但尚未确定他们是否有义务寻找这些突变或在发现时告知患者。“从概念上讲，进行基因组测序很简单，”但加入临床考虑和遗传咨询可能会使此类筛查比最初看起来更加棘手。
从单个细胞中测序完整的基因组也为生殖以外的各种医学领域带来了希望。奎克和他的团队已经在研究癌细胞，癌细胞具有“巨大的遗传变异，”他说。然而，癌细胞具有两套染色体（就像身体的大部分细胞一样），这使得它们比只有一套染色体的精子或卵细胞更难进行基因解析。
尽管如此，这项技术可以改进监测以寻找循环癌细胞的特定遗传特征，他指出。“有很多事情要做，”奎克说。但既然这项技术已经准备就绪，“你可以开始考虑那些关键的研究了。”