在第一個完整的人類基因組被繪製出來不到十年後，解碼單個性細胞的完整基因組的技術已經出現。這項技術有望為不孕的原因、突變的發生和人類基因組的多樣性提供新的見解。
精子和卵細胞與其他體細胞的不同之處在於，它們具有單套（而不是雙套）染色體。研究人員成功擴增並測序了來自同一個體（一位 40 歲男性，其基因組已經過測序和分析，這是檢查精子測序準確性的重要因素）的 91 個精子細胞。他們發現，被取樣的精子經歷了大約 23 次重組，這有助於混合來自染色體的基因，以增加後代的遺傳多樣性，以及 25 到 36 個新的突變，這些比率與之前對普通人群的估計相符。科學家於 7 月 19 日在《細胞》雜誌線上報告了這些發現。
這項新功能“將使我們能夠回答許多關於種系基因組穩定性的問題，”聖路易斯華盛頓大學醫學院的人類遺傳學家唐·康拉德說，他沒有參與這項新的研究。研究人員發現，儘管捐贈精子的男性已經有健康的後代，但研究的兩個精子細胞都缺失了一條完整的染色體。然而，這種突變使得精子細胞成功使卵子受精的可能性降低。
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到目前為止，我們對人群規模的基因突變和重組進行了粗略的估計。“我們沒有工具來量化個人層面的這些事情，”康拉德說。“這是一項技術突破。”斯坦福大學醫學院生物工程系的斯蒂芬·奎克和他的團隊在過去十年中一直致力於該專案。“我們從細菌開始，逐步研究人類，”他說。他們利用微流體領域的發展，在晶片上對單個細胞進行測序。他們報告說，這些微流體晶片使他們能夠使用更少的材料來擴增基因組（採用一種稱為多重置換擴增的過程），從而將汙染（從而導致錯誤發現）的可能性降低了 1000 倍。
這種方法還揭示了突變似乎在基因組上聚集的新位置，即所謂的“熱點”。儘管這項研究並非旨在找出特定的生物訊號，但它表明“我們對整個基因組的熱點實際上知之甚少，”奎克說。未來的研究可以利用這些發現和技術來開始探索更大的生物學問題，例如“幫助理解並可能診斷生殖障礙，以幫助理解當這是男性的責任時會發生什麼，”他說。
然而，生殖技術人員不會很快對精子進行測序以篩選它們進行植入。目前的測序方法會破壞被測精子細胞。然而，奎克表示，在適當的條件下，即在精子細胞透過減數分裂分裂之前，既可以篩選又可以完整地捕獲精子細胞。“如果你能在它們分離之前捕獲它們，你可以對一個進行測序，你就會知道另一個是什麼。”
為生育和更多方面進行測序
對這些單個性細胞進行測序的能力將為研究不孕症開啟一扇新的視窗。“我認為那裡存在著尚未被命名的不孕症形式，”康拉德說。他估計該技術可以在五年內得到驗證並準備好用於臨床。他說，下一個障礙不是技術上的，而是生物學上的：科學家們還不完全知道哪些基因變化可能與各種生育挑戰有關，這是開發和推廣診斷測試之前的一個主要步驟。
一些夫婦已經在子宮內植入胚胎之前測試可能導致疾病的遺傳突變。這些現有的基因測試也清楚地表明，在精子基因組篩查廣泛應用之前，還有其他需要考慮的問題。康拉德指出，其中之一是“複雜的法律環境”。當臨床醫生進行全基因組篩查時，他們可以發現任何東西，例如使一個人患某種癌症的風險更高的突變。但尚未確定他們是否有義務尋找這些突變或在發現時告知患者。“從概念上講，進行基因組測序很簡單，”但加入臨床考慮和遺傳諮詢可能會使此類篩查比最初看起來更加棘手。
從單個細胞中測序完整的基因組也為生殖以外的各種醫學領域帶來了希望。奎克和他的團隊已經在研究癌細胞，癌細胞具有“巨大的遺傳變異，”他說。然而，癌細胞具有兩套染色體（就像身體的大部分細胞一樣），這使得它們比只有一套染色體的精子或卵細胞更難進行基因解析。
儘管如此，這項技術可以改進監測以尋找迴圈癌細胞的特定遺傳特徵，他指出。“有很多事情要做，”奎克說。但既然這項技術已經準備就緒，“你可以開始考慮那些關鍵的研究了。”