单细胞测序的主要性及应用偏向

2018-03-05

会见量：

单细胞测序的主要性

随着第二代测序(next generation sequencing，NGS) 手艺和第三代测序( third generation sequencing，TGS)手艺的飞速生长，引起生物研究领域的重大厘革。以前，需要从大宗细胞中获取足够多的DNA 举行测序，因此测序效果是这些细胞“整体”的表征。然而，由于细胞异质性，相同表型的细胞的遗传信息可能保存显著性差别，许多低品貌的信息会在整体表征中丧失。为了填补古板高通量测序的局限性，单细胞测序手艺应运而生。

单细胞测序手艺是指在单个细胞水平上，对基因组、转录组、表观组举行高通量测序剖析的一项新手艺。它能够展现单个细胞的基因结构和基因表达状态，反应细胞间的异质性，在肿瘤、发育生物学、微生物学、神经科学等领域施展主要作用，正成为生命科学研究的焦点。2013年单细胞测序手艺被Nature Methods评为年度手艺（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，以为该手艺将改变生物界和医学界的许多领域。由于单细胞测序手艺辽阔的应用远景，2015年单细胞测序手艺再度登上Science 转化医学封面（图1右）。图1.单细胞测序手艺荣登顶尖杂志年度封面 (图片泉源http://t.cn/R840r7W；http://t.cn/RQHjnW3)

2017年10月16日，与“人类基因组妄想”相媲美的“人类细胞图谱妄想”（图3）首批拟资助的38个项目正式宣布。人类细胞图谱妄想是一项大型国际相助项目：凭证奇异的分子信息（如基因表达）对所有人类细胞种类举行界说，并将这些信息与古板的细胞学表述（如位置和形态）相关联。其中一项要害的手艺就是单细胞测序。

图2: 人类细胞图谱妄想（图片泉源: http://t.cn/RQHYNxw）

相信未来单细胞手艺，将会大大改变人类的科学研究以及临床应用，尤其是在肿瘤、微生物、神经科学、免疫学等领域。下面我们将重点先容近年来单细胞手艺在以上领域的主要发明。

单细胞测序的应用

1、在肿瘤研究中的应用

2012年3月2日，深圳华大基因研究院在肿瘤研究上获得突破性希望，于国际著名学术期刊《细胞》（Cell）上同时揭晓两篇研究论文。该事情研发了一种剖析单细胞基因组的新要领，并将该要领应用于原发性血小板增多症（一种血癌）和肾透明细胞癌（一种肾癌）（图4）的肿瘤内部遗传特征研究。此新要领解决了之前无法解决的肿瘤高异质性难题，为深入研究癌症爆发、生长机制及其诊断、治疗提供了新的研究思绪并开发了新的研究偏向。

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图3.华大单细胞测序手艺划分应用于血癌和肾癌研究

2016年，麻省总医院MGH、Broad研究所的研究职员在单细胞水平上对脑瘤举行基因组剖析，首次在人类脑瘤样本中判断到了癌症干细胞及其分解子女。研究职员剖析了六个早期少突胶质细胞瘤样本的四千多个肿瘤细胞，发明肿瘤细胞在发育上可以分为三类。其中一类较量像神经干细胞，另外两类具有一定的分解特征。研究效果证实了癌症干细胞是少突胶质细胞瘤的主要生长源，这些细胞将成为很有远景的治疗靶标。

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图4:在单细胞水平上对脑瘤举行基因组剖析

2、在微生物研究中的应用

单细胞测序在微生物领域也取得了主要突破。2017年，来自美国UCSF的研究组首次实现原核生物的微生物单细胞测序手艺。图5展示了该研究的详细流程。

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图5：基于微流控手艺实现微生物单细胞测序

3、在神经科学中的应用

单细胞测序手艺资助科学家更深入的相识大脑神经细胞。2017年，Salk生物研究所向导的团队凭证甲基化和调控特征，区分小鼠和人类大脑样本中的神经元亚型，并判断出人类额叶皮质中一组新的神经元。研究职员使用单细胞甲基化测序剖析小鼠和人类额叶皮质样本中近6200个神经元，并凭证甲基化和调控元件特征对已知的神经元亚型举行聚类。别的，他们还指出人类大脑中保存一种新的神经元亚型，称为“第6层兴奋性神经元”，它们有着奇异的甲基化标记。

这篇论文的通讯作者之一、Salk研究所的盘算神经生物学研究职员Margarita Behrens体现：“尊龙凯时研究批注，我们能够凭证神经元的甲基化组来清晰界说神经元类型。这有助于我们相识统一区域、外表相似的两种神经元为何体现差别。”

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图6: 通过高通量单细胞甲基化测序获得小鼠和人额叶皮层神经元细胞的亚型

2018年头，张鹍教授团队在Nature Biotechnology上揭晓了一个基于全新单细胞核测序要领的成年人脑第二代单细胞图谱。该研究通过连系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）的要领，不但能使用转录组学剖析判断差别功效的细胞类型，还能通过表观遗传学特征更好形貌这些表达图谱是怎样调理或者维持的。该研究检测了凌驾60，000个来自成人大脑皮层和小脑的单细胞，发明了35种差别的神经元和神经胶质细胞亚型。并且发明了这些细胞中哪些亚型更易受到差别脑部疾病常见危险因素的影响。

图7:成人大脑差别区域细胞类型的多样性

4、在免疫学领域的应用

由于古板的免疫细胞剖析要领，取样来自一大堆细胞，低估了单个免疫细胞的多样性，以是我们需要越发准确检测单个免疫细胞的遗传物质，从而明确机体重大的免疫机制。

2017年，Ido Amit团队在大脑中发明一种新型免疫细胞——disease-associated microglia（DAM），证实DAM细胞认真降解殒命的细胞以及与阿尔兹海默症相关联的卵白病斑。研究职员强调，只有对单个细胞举行RNA测序才华发明有数的小胶质细胞，从而为治疗包括阿尔兹海默症等在内的神经类疾病提供新要领。

图8. 单细胞测序发明新型免疫细胞

2017年，来自Broad研究所等机构的科学家们借助单细胞基因组学手艺在人类免疫系统中判断出了新型细胞。他们通过对康健献血者疏散获得的约2400个单细胞RNA举行了测序，并富集HLA-DR+细胞系，实验对DC细胞和单核细胞的分类举行重新判断和修订。这一效果是人类细胞图谱（Human Cell Atlas）妄想的首批主要发明之一。该妄想旨在形貌人体内的每一个细胞，以期加速生物医学的生长，将彻底改变医生和研究职员怎样明确、诊断和治疗疾病。

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图9.人类血液中树突细胞和单核细胞图谱

结语

单细胞测序手艺从降生至今，仅仅短短数年的时间，便取得了飞速的生长以及瞩目的效果。2009年、2010年，在顶级期刊揭晓的单细胞测序手艺类文章数均仅有3篇。而到2013年、2014年该数目划分为23及27篇。现在单细胞测序手艺越来越受到科研事情者及临床事情者的青睐，每年有越来越多的主要效果揭晓在顶级期刊上。

而华大基因，在单细胞测序领域也取得了重大突破。2012-2017年，在单细胞测序领域华大基因一共揭晓了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

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单细胞测序 NGS TGS 人类基因组妄想

日本研究职员发明白血病新疗法返回 289目录海内特有品种一致性评价抱团才有戏？