单细胞测序的沉要性

随着第二代测序(next generation sequencing，NGS) 技术和第三代测序( third generation sequencing，TGS)技术的飞速发展，引起生物钻研领域的巨大刷新。以前，必要从大量细胞中获取足够多的DNA 进行测序，因而测序了局是这些细胞“整体”的表征。然而，由于细胞异质性，一样表型的细胞的遗传信息可能存在显著性差距，好多低丰度的信息会在整体表征中迷失。为了添补传统高通量测序的局限性，单细胞测序技术应运而生。

单细胞测序技术是指在单个细胞水平上，对基因组、转录组、表观组进行高通量测序分析的一项新技术。它可能揭示单个细胞的基因结构和基因表白状态，反映细胞间的异质性，在肿瘤、发育生物学、微生物学、神经科学等领域阐扬沉要作用，正成为性命科学钻研的焦点。2013年单细胞测序技术被Nature Methods评为年度技术（图1左）。同年，《科学》杂志（Science）将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首，以为该技术将扭转生物界和医学界的很多领域。由于单细胞测序技术辽阔的利用远景，2015年单细胞测序技术再度登上Science 转化医学封面（图1右）。图1.单细胞测序技术荣登顶尖杂志年度封面 (图片起源http://t.cn/R840r7W
；http://t.cn/RQHjnW3)

2017年10月16日，与“人类基因组打算”相媲美的“人类细胞图谱打算”（图3） 首批拟赞助的38个项目正式颁布。人类细胞图谱打算是一项大型国际合作项目：凭据怪异的分子信息（如基因表白）对所有人类细胞种类进行界说，并将这些信息与传统的细胞学表述（如地位和状态）有关联。其中一项关键的技术就是单细胞测序。

相信未来单细胞技术，将会大大扭转人类的科学钻研以及临床利用，尤其是在肿瘤、微生物、神经科学、免疫学等领域。下面我们将沉点介绍近年来单细胞技术在以上领域的沉要发现。

单细胞测序的利用

1、 在肿瘤钻研中的利用

    2012年3月2日，丽江华大基因钻研院在肿瘤钻研上获得突破性进展，于国际驰名学术期刊《细胞》（Cell）上同时颁发两篇钻研论文。该工作研发了一种解析单细胞基因组的新步骤，并将该步骤利用于原发性血幼板增多症（一种血癌）和肾通明细胞癌（一种肾癌）（图4）的肿瘤内部遗传特点钻研。此新步骤解决了之前无法解决的肿瘤高异质性难题，为深刻钻研癌症产生、发展机造及其诊断、医治提供了新的钻研思路并启发了新的钻研方向。

图3.华大单细胞测序技术别离利用于血癌和肾癌钻研

    2016年，麻省总医院MGH、Broad钻研所的钻研人员在单细胞水平上对脑瘤进行基因组分析，初次在人类脑瘤样本中鉴定到了癌症干细胞及其分化后世 。钻研人员分析了六个早期少突胶质细胞瘤样本的四千多个肿瘤细胞，发现肿瘤细胞在发育上能够分为三类。其中一类比力像神经干细胞，另表两类拥有肯定的分化特点。钻研了局证实了癌症干细胞是少突胶质细胞瘤的重要成长源，这些细胞将成为很有远景的医治靶标。

    图4:在单细胞水平上对脑瘤进行基因组分析

2、在微生物钻研中的利用

    单细胞测序在微生物领域也获得了沉要突破。2017年，来自美国UCSF的钻研组初次实现原核生物的微生物单细胞测序技术。图5展示了该钻研的具体流程。

    图5：基于微流控技术实现微生物单细胞测序

3、在神经科学中的利用

单细胞测序技术援手科学家更深刻的相识大脑神经细胞。2017年，Salk生物钻研所辅导的团队凭据甲基化和调控特点，分辨幼鼠和人类大脑样本中的神经元亚型，并鉴定出人类额叶皮质中一组新的神经元。钻研人员利用单细胞甲基化测序分析幼鼠和人类额叶皮质样本中近6200个神经元，并凭据甲基化和调控元件特点对已知的神经元亚型进行聚类。此表，他们还指出人类大脑中存在一种新的神经元亚型，称为“第6层兴奋性神经元”，它们有着怪异的甲基化象征。

    这篇论文的通讯作者之一、Salk钻研所的推算神经生物学钻研人员Margarita Behrens暗示：“JDB电子钻研批注，我们可能凭据神经元的甲基化组来清澈界说神经元类型。这有助于我们相识统一区域、表表类似的两种神经元为何阐发分歧。”

    图6: 通过高通量单细胞甲基化测序得到幼鼠和人额叶皮层神经元细胞的亚型

2018岁首，张鹍教授团队在Nature Biotechnology上颁发了一个基于全新单细胞核测序步骤的成年人脑第二代单细胞图谱。该钻研通过结合基于微流体的单核测序（snDrop-seq）和单细胞转座体超敏性位点测序（scTHS-seq）的步骤，不仅能利用转录组学分析鉴定分歧职能的细胞类型，还能通过表观遗传学特点更好描述这些表白图谱是若何调节或者维持的。该钻研检测了超过60，000个来自成人大脑皮层和幼脑的单细胞，发现了35种分歧的神经元和神经胶质细胞亚型。并且发现了这些细胞中哪些亚型更易受到分歧脑部疾病常见危险成分的影响。

4、在免疫学领域的利用

由于传统的免疫细胞分析步骤，取样来自一大堆细胞，低估了单个免疫细胞的多样性，所以我们必要越发精确检测单个免疫细胞的遗传物质，从而理解机体复杂的免疫机造。

2017年，Ido Amit团队在大脑中发现一种新型免疫细胞——disease-associated microglia（DAM），证实DAM细胞掌管降解殒命的细胞以及与阿尔兹海默症有关联的蛋白病斑。钻研人员强调，只有对单个细胞进行RNA测序能力发现罕见的幼胶质细胞，从而为医治蕴含阿尔兹海默症等在内的神经类疾病提供新步骤。

    2017年，来自Broad钻研所等机构的科学家们借助单细胞基因组学技术在人类免疫系统中鉴定出了新型细胞。他们通过对健康献血者分离获得的约2400个单细胞RNA进行了测序，并富集HLA-DR+细胞系，尝试 对DC细胞和单核细胞的分类进行沉新鉴定和订正。这一成就是人类细胞图谱（Human Cell Atlas）打算的首批沉要发现之一。该打算旨在描述人体内的每一个细胞，以期加快生物医学的发展，将彻底扭转医生和钻研人员若何理解、诊断和医治疾病。

    图9.人类血液中树突细胞和单核细胞图谱

结语

单细胞测序技术从诞生至今，仅仅短短数年的功夫，便获得了飞速的发展以及瞩主张成就。2009年、2010年，在顶级期刊颁发的单细胞测序技术类文章数均仅有3篇。而到2013年、2014年该数量别离为23及27篇。此刻单细胞测序技术越来越受到科研工作者及临床工作者的青睐，每年有越来越多的沉要成就颁发在顶级期刊上。

而华大基因，在单细胞测序领域也获得了沉大突破。2012-2017年，在单细胞测序领域华大基因一共颁发了15篇文章，影响因子最高44，累计影响因子高达189。下面图表是华大基因在单细胞测序领域的代表性文章：

    表1.华大单细胞测序高分文章列表