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工作原理第一步:微珠上DNA引物设计
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先预制凝胶微珠,也就是所说的gel beads,然后每个凝胶微珠"种上"特定的DNA片段,每个DNA序列分成几段:
第一段是barcode,16bp碱基,大约350万种barcodes,一个微珠对应一个barcode,利用这么多barcode可以区分各个凝胶微珠。=》每个凝胶微珠的ID号
其中任意两个barcode之间至少差两个或者两个以上的碱基,因为测序存在对碱基的误读,这样设计可以避免将两个barcode搞混(可以试想,如果两个barcode之差一个碱基,那么就有16分之一的概率将两个判断成一个)
第二段是UMI序列,即unique molecular index,它是一段随机序列,也就是说每个DNA分子都有自己的UMI序列,UMI长为10bp,那么就有4^10=1,048,576也就是100多万种变化。它的作用就是经过了PCR+深度测序后,找到reads与原始cDNA的对应关系 =》 每个DNA标签分子的ID号
它考虑到了这样一种情况:一个基因片段经过PCR扩增产生多个reads,但是不加标记我们是不知道的,并且不同基因的PCR扩增效率可能不同,因此一个基因最后得到的reads数就可能由于PCR扩增效率高而超过了另一个基因(而这两个基因的真实表达量可能差不多)。也就是排除"PCR bias”
第三段是Poly(dT)序列,它起到的作用是与mRNA的poly(A)尾巴结合,作为逆转录的引物,将cDNA逆转录出来
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工作原理第二步:芯片的液流管路
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细胞混悬液在第一个十字交叉口,与凝胶微珠混合;接着进入第二个交叉口,这时加上油滴,把凝胶微珠+细胞混悬液包裹起来=》油包水的小液滴=》这些油包水的小微滴就组成了乳浊液
乳浊液中,有的是包含一个细胞的(红圈部分),也有的不包含细胞,还有的有两个以上细胞(这个叫"Doublets”) ,一个小液滴中包含几个细胞是符合"泊松分布"的。
大部分细胞会匹配到一个小液滴中(细胞混悬液中大约有65%的细胞可以被成功包到有微珠的小液滴中=》也叫做细胞的捕获效率~65%),后续分析的reads就是从它们这里来的
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工作原理第三步:测序文库构建
得到乳浊液后,就要脱掉细胞膜,让其中的mRNA游离出来=》
游离出来的mRNA与小液滴中的水相混合,水相中包括凝胶微珠上连着的核酸引物、逆转录酶、dNTP底物,发生逆转录反应=》
通过mRNA的polyA与凝胶微珠上的polyT互补,mRNA与凝胶微珠上带有标签的DNA分子结合起来,然后在逆转录酶作用下,逆转录出cDNA=》
这样得到的cDNA分子是带有微珠特定的barcode标签的,并且每个cDNA分子带有特定的UMI标签,有了这两个标签,就可以区分这个特定的cDNA与其他的cDNA=》
然后将乳浊液中所有的水相抽出来,也就是把带有标签的cDNA分子抽出来=》
cDNA分子加接头,PCR扩增,得到illumina文库
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数据构成
一个样本一般就测几百或几千细胞,barcode种类却有3百多万,所以很少出现一个barcode对应两个细胞的情况。因此得到的数据可以通过barcode拆分,将测序reads回溯到每个细胞
当然,是有可能出现一个barcode对应两个甚至多个细胞的情况,这时如果按照barcode去拆分,就会将这两个或者多个细胞的reads组合成一个**“pool**"。因此,为了减少pool的出现,就要在细胞混悬液制备阶段,控制原始的细胞数量
所以这里看到,并不是制备的细胞数越多越好。原始细胞数越少,最后的混合pool就越少,这也是符合泊松分布的。一般来说一个样本混悬液的细胞数在1万以下比较好
利用UMI对reads进行简并,就可以看到细胞reads与基因数量之间的关系,比如这样:横坐标是细胞reads数,纵坐标是基因数,reads数越多能得到的基因也就越多。一般来说一个细胞读到30万条reads后,基因数量随reads数增加的速度会变慢=》基因数量”平台期”
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一般一个细胞可以得到4万-8万个有效的UMI,平均一个细胞的一个基因有10个UMI;
一个细胞的一个基因的表达量是衡量这个细胞的一个维度,于是几千个被测基因的表达量形成了几千个维度。如果将成千上万个细胞放在一起分析,经过降维、聚类,放到一个三维空间并加上颜色,就形成了这样的分布形式